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I

UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS

ESCUELA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA

TEMA:

“SISTEMA PARA LA ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS PARA EL ACCIONAMIENTO

DE UN TOBILLO ROBÓTICO”

AUTOR: JUAN PABLO SANIPATÍN DÍAZ

DIRECTOR: ING. HENRY CERVANTES

IBARRA – ECUADOR

2015

II


BIBLIOTECA UNIVERSITARIA

AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN

A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE

IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA

La Universidad Técnica del Norte dentro del proyecto Repositorio Digital

institucional, determino la necesidad de disponer de textos completos en formato

digital con la finalidad de apoyar los procesos de investigación, docencia y

extensión de la Universidad.

Por medio del presente documento dejo sentada mi voluntad de participar en este

proyecto, para lo cual pongo a disposición la siguiente información.

DATOS DEL AUTOR

CÉDULA DE IDENTIDAD 100307401-8

APELLIDOS Y NOMBRES SANIPATÍN DÍAZ JUAN PABLO

DIRECCIÓN SAN ANTONIO, BARRIO MORAS, CALLE ALONSO TOBAR

E-MAIL [email protected]

TELÉFONO FIJO 2933-463 TELÉFONO MÓVIL 0989785821

DATOS DE LA OBRA

TÍTULO SISTEMA PARA LA ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

DE SEÑALES ELECTROMIOGRÁFICAS PARA EL

ACCIONAMIENTO DE UN TOBILLO ROBÓTICO

AUTOR SANIPATÍN DÍAZ JUAN PABLO

FECHA JULIO DEL 2015

PROGRAMA PREGRADO

TÍTULO POR EL QUE OPTA INGENIERO EN MECATRÓNICA

DIRECTOR ING. HENRY CERVANTES

mailto:[email protected]

VIII


FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios y a toda mi familia por su apoyo incondicional que me ha

permitido cumplir esta meta en mi vida; por estar siempre a mi lado en los

momentos que más lo necesitaba.

Agradezco a la Universidad Técnica del Norte, la Facultad de Ingeniería en

Ciencias Aplicadas, a todo el personal docente, quienes me han influenciado con

sus conocimientos y valores; en especial al Ing. Henry Cervantes quien desde un

principio confió en mí, por ser más que un docente, un amigo, quien supo

brindarme su apoyo y guía en miras de culminar el presente trabajo.

Agradezco al PhD David Ojeda por toda la confianza depositada en mí y por

haberme inculcado un espíritu investigativo en base a sus conocimientos y

valores.

Juan Pablo Sanipatín Díaz

IX


FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEDICATORIA

A Dios por todas sus bendiciones, a mi padre por todos sus sacrificios que han

hecho posible culminar esta meta en mi vida, a mi madre por ser el pilar

fundamental de mi vida y a mi hermana por su apoyo moral.


X

RESUMEN

El presente trabajo de grado tiene como finalidad la construcción del sistema que

permite la adquisición y acondicionamiento de la señal eléctrica producida por los

músculos, la cual será utilizada como entrada para un sistema de control

encargado de accionar a un tobillo robótico. El diseño y construcción de este

sistema representa la primera etapa de un macro proyecto de investigación para

el desarrollo de prótesis robóticas mioeléctricas, específicamente una prótesis de

tobillo robótico para casos de amputaciones transtibiales.

El sistema mioeléctrico obtiene la señal de los músculos a partir de electrodos

superficiales, está señal es acondicionada, filtrada y amplificada utilizando

componentes electrónicos básicos, hasta obtener un potencial de salida en un

rango proporcional a la determinada acción muscular.

El sistema es validado en base al procesamiento de las señales registradas a

través de instrumentos electrónicos seleccionados, análisis de su amplitud y

análisis de su frecuencia utilizando el software computacional especializado

LabVIEW.

XI

ABSTRACT

This degree work is aimed to building the system that allows the acquisition and

conditioning of the electrical signal produced by the muscles, which will be used as

input for a control system to operate a robotic ankle. The design and construction

of this system represents the first stage of a research project to design and build

robotic myoelectric prosthesis, specifically a robotic prosthetic ankle for transtibial

amputations.

The system obtains myoelectric signal of the muscles through surface electrodes,

this signal is conditioned, filtered and amplified using basic electronic components

to obtain a potential output proportional to the specific muscle action range.

The system is validated based on the processing of the signals recorded through

selected electronic instruments, amplitude analysis and frequency analysis using

National instruments’ specialized software called LabVIEW.

XII

ÍNDICE DE CONTENIDO

AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN ........................................................ II

CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR DEL TRABAJO DE GRADO A FAVOR DE

LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE ..........................................................IV

CONSTANCIA ......................................................................................................V

CERTIFICACIÓN .................................................................................................VI

DECLARACIÓN ..................................................................................................VII

AGRADECIMIENTO .......................................................................................... VIII

DEDICATORIA .................................................................................................... IX

RESUMEN ............................................................................................................ X

ABSTRACT .......................................................................................................... XI

ÍNDICE DE CONTENIDO .................................................................................... XII

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................... XVII

ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................... XXII

ÍNDICE DE ECUACIONES ............................................................................. XXIV

CAPÍTULO I ......................................................................................................... 1

1. GENERALIDADES ......................................................................................... 1

1.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................ 1

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 1

1.3. OBJETIVO GENERAL ................................................................................... 3

1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 3

1.5. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 4

1.6. ALCANCE ...................................................................................................... 4

1.7. LIMITACIONES.............................................................................................. 5

CAPÍTULO II ........................................................................................................ 7

2. FUNDAMENTO TEÓRICO ............................................................................. 7

2.1. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 7

XIII

2.2. HISTORIA DE LA ELECTROMIOGRAFÍA .................................................... 11

2.3. SEÑALES BIOELÉCTRICAS MUSCULARES .............................................. 12

2.4. ELECTROMIOGRAFÍA ................................................................................ 14

2.5. CARACTERIZACIÓN DE LA SEÑAL EMG ................................................... 15

2.6. FACTORES QUE AFECTAN A LA SEÑAL EMG .......................................... 18

2.7. ELECTRODOS ............................................................................................ 20

2.7.1. ELECTRODOS NO INVASIVOS (SUPERFICIALES) ............................... 20

2.7.2. ELECTRODOS INVASIVOS (DE AGUJA O ALAMBRE) .......................... 22

2.8. RECOMENDACIONES PARA ELECTRODOS SUPERFICIALES BIPOLARES

DE ELECTROMIOGRAFÍA ................................................................................. 23

2.9. CONSIDERACIONES PARA SELECCIONAR EL ELECTRODO ADECUADO

……………………………………………………………………………………… 24

2.10. PREPARACIÓN DE LA PIEL ...................................................................... 25

2.11. DETERMINACIÓN DE LA LOCALIZACIÓN DE LOS ELECTRODOS ........ 25

2.12. CONSIDERACIONES PARA LA ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

DE LA SEÑAL ELECTROMIOGRÁFICA ............................................................. 26

2.13. TOBILLO .................................................................................................... 29

2.13.1. MOVIMIENTOS EN EL TOBILLO ........................................................... 29

2.14. AMPUTACIÓN TRANSTIBIAL .................................................................... 31

2.15. BIOMECATRÓNICA ................................................................................... 31

2.16. INSTRUMENTACIÓN................................................................................. 32

2.16.1.AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA

….. ............................................................................................................. 32

2.16.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN INVERSORA ...

…… ............................................................................................................ 33

2.16.3. AMPLIFICADOR OPERACIONAL SUMADOR ....................................... 34

2.16.4. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DIFERENCIAL .................................. 35

2.16.5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL INTEGRADOR .................................. 36

2.16.6. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA ............................................... 37

2.16.7. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTRUMENTACIÓN ................. 38

2.17. INSTRUMENTOS Y ELEMENTOS REQUERIDOS .................................... 39

2.17.1. NI MYRIO ................................................................................................ 39

2.17.2. LABVIEW 2014 ....................................................................................... 40

XIV

2.17.3. OSCILOSCOPIO BK PRECISION 2534 ................................................. 40

2.17.4. OSCILOSCOPIO VIRTUAL PARA NI MYRIO ........................................ 41

2.17.5. TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER ............................................ 41

2.17.6. MULTISIM 13.0 Y ULTIBOARD 13.0 ...................................................... 42

CAPÍTULO III ..................................................................................................... 43

3. METODOLÓGICA DE LA INVESTIGACIÓN ................................................ 43

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN .......................................................................... 43

3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................ 44

CAPÍTULO IV ..................................................................................................... 53

4. DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN .............................................. 53

4.1. DISEÑO DEL SISTEMA ............................................................................... 53

4.1.1. ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG ...................................... 53

4.1.1.1. SELECCIÓN DEL ELECTRODO ........................................................... 54

4.1.1.2. SELECCIÓN DEL CABLE DE CONEXIÓN ........................................... 56

4.1.1.3. SELECCIÓN DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN ............. 56

4.1.1.4. DISEÑO DE CIRCUITOS UTILIZADOS EN LA ETAPA DE ADQUISICIÓN

DE LA SEÑAL EMG............................................................................................ 58

4.1.2. ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL EMG ....................... 65

4.1.2.1. SELECCIÓN DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ............................ 66

4.1.2.2. SELECCIÓN DEL TIPO RESPUESTA DE LOS FILTROS ANÁLOGOS ...

………. .................................................................................................. 67

4.1.2.3. FILTRO PASA BAJAS DE SEXTO ORDEN .......................................... 71

4.1.2.4. FILTRO PASA ALTAS DE SEXTO ORDEN .......................................... 76

4.1.2.5. FILTRO RECHAZA BANDAS ................................................................ 80

4.1.2.6. AMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL SEMG FILTRADA ............................. 84

4.1.2.7. RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA ............................................. 86

4.1.2.8. AMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL SEMG RECTIFICADA ....................... 90

4.2. SIMULACIÓN DEL SISTEMA ....................................................................... 91

4.2.1. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.............................................. 91

4.2.2. FILTROS UTILIZADOS EN EL SISTEMA SEMG ..................................... 92

XV

4.2.3. AMPLIFICADORES EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA ................. 96

4.2.4. RECTIFICACIÓN Y ALISADO DE LA SEÑAL EMG ................................. 97

4.2.5.SIMULACIÓN DE TODAS LAS ETAPAS CONSTITUYENTES DEL

SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEMG ................ 98

4.3. CONSTRUCCIÓN ........................................................................................ 98

4.3.1. HUELLAS DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS UTILIZADOS ... 99

4.3.2. ELEMENTOS ELECTRÓNICOS REQUERIDOS ...................................... 99

4.3.3. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO ...................................................... 100

CAPÍTULO V .................................................................................................... 101

5. REGISTRO DE DATOS, PRUEBAS Y RESULTADOS ............................... 101

5.1. REGISTRO DE DATOS .............................................................................. 101

5.1.1. SELECCIÓN DE LOS MÚSCULOS DE LA PARTE INFERIOR DE LA

PIERNA ........................................................................................................... 101

5.1.1.1. MÚSCULOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO DEL TOBILLO . .

… ........................................................................................................ 101

5.1.1.2. CRITERIOS DE SELECCIÓN .............................................................. 102

5.1.1.3. SELECCIÓN ........................................................................................ 103

5.1.2. PROCEDIMIENTO PARA EL REGISTRO Y ANÁLISIS DE LA SEÑAL

SEMG ........................................................................................................... 103

5.1.2.1. ETAPA INICIAL .................................................................................... 104

5.1.2.2. ETAPA DE REGISTRO ........................................................................ 106

5.1.2.3. ETAPA DE PROCESADO.................................................................... 107

5.2. PRUEBAS .................................................................................................. 107

5.3. RESULTADOS ........................................................................................... 108

5.3.1. GASTROCNEMIO MEDIAL .................................................................... 108

5.3.2. GASTROCNEMIO LATERAL .................................................................. 111

5.3.3. TIBIAL ANTERIOR .................................................................................. 113

5.3.4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO SEMG VS

MUSCLE SENSOR V3 ..................................................................................... 116

CAPÍTULO VI ................................................................................................... 119

XVI

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 119

6.1. CONCLUSIONES ....................................................................................... 119

6.2. RECOMENDACIONES .............................................................................. 120

6.3. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 121

ANEXOS ........................................................................................................... 131

ANEXO I MANUAL DE OPERACIÓN ............................................................... 132

ANEXO II TARJETA PCB DEL SISTEMA SEMG ............................................. 136

ANEXO III PLANOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA SEMG ........................ 137

ANEXO IV PROGRAMACIÓN LABVIEW ......................................................... 143

ANEXO V PROGRAMACIÓN MATLAB (FILTROS) ......................................... 144

ANEXO VI COEFICIENTES PARA EL DISEÑO DE FILTROS BUTTERWORTH ..

........................................................................................................... 146

ANEXO VII HOJA DE DATOS DE RESISTENCIAS DE ¼ WATT .................... 147

ANEXO VIII HOJA DE DATOS DE CONDENSADORES CERÁMICOS ........... 148

ANEXO IX HOJA DE DATOS DE POTENCIÓMETRO TRIMMER ................... 150

ANEXO X CATÁLOGO DE CONECTORES DE AUDIO ................................... 151

ANEXO XI ELEMENTOS ELECTRÓNICOS REQUERIDOS ............................ 152

ANEXO XII FOTOS........................................................................................... 153

XVII

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 2.1. Crecimiento en el número de publicaciones relacionadas con EMG

desde mediados de los años 1940s. .................................................................... 7

FIGURA 2.2. Implementación del circuito de detección en el control de prótesis de

mano. .................................................................................................................... 9

FIGURA 2.3. Prototipo implantable utilizado para la validación preliminar del

estudio. ............................................................................................................... 10

FIGURA 2.4. Adquisición EMG con el electrodo Vampire-Bat y tecnología ZigBee.

............................................................................................................................ 11

FIGURA 2.5. Elementos constituyentes de una unidad motora. ......................... 13

FIGURA 2.6. Curso temporal del potencial de acción de la fibra muscular. ....... 13

FIGURA 2.7. Suma algebraica de todos los potenciales de acción de las unidades

motoras. .............................................................................................................. 15

FIGURA 2.8. Efectos del músculo en la relación señal SEMG – fuerza. ............ 15

FIGURA 2.9. Curva tensión – longitud para un músculo aislado. ....................... 16

FIGURA 2.10. Espectro de frecuencias de una señal electromiográfica obtenida

mediante la transformada de Fourier. ................................................................. 17

FIGURA 2.11. Representación esquemática del espectro de una señal típica de

SEMG. ................................................................................................................ 17

FIGURA 2.12. Factores que afectan a la señal SEMG en un sistema con

amplificadores diferenciales. ............................................................................... 20

FIGURA 2.13. Electrodo superficial pasivo. ........................................................ 21

FIGURA 2.14. Electrodo superficial activo. ......................................................... 21

FIGURA 2.15. Interface electrodo - electrolito .................................................... 22

FIGURA 2.16. Diagrama de bloques con las principales etapas en el

procedimiento de adquisición de la señal. .......................................................... 26

FIGURA 2.17. Movimientos en el tobillo. ............................................................ 30

FIGURA 2.18. Rangos angulares de movimiento en el tobillo. ........................... 30

FIGURA 2.19. Terminales básicos de un amplificador operacional. ................... 32

FIGURA 2.20. Amplificador operacional no inversor básico. .............................. 33

FIGURA 2.21. Amplificador operacional inversor básico. ................................... 34

XVIII

FIGURA 2.22. Amplificador operacional sumador básico. .................................. 35

FIGURA 2.23. Amplificador operacional diferencial básico. ............................... 36

FIGURA 2.24. Amplificador operacional integrador básico. ................................ 36

FIGURA 2.25. Amplificador operacional como rectificador de onda completa. .. 37

FIGURA 2.26. Amplificador operacional de instrumentación. ............................. 38

FIGURA 2.27. Principales componentes del hardware embebido NI MyRIO. .... 40

FIGURA 2.28. Principales componentes del osciloscopio digital BK Precision

2534. ................................................................................................................... 41

FIGURA 3.1. Diagrama de bloques del Sistema de adquisición y

acondicionamiento de señales electromiográficas. ............................................. 50

FIGURA 3.2. Actividades requeridas para el cumplimiento de los objetivos

planteados en la investigación ............................................................................ 51

FIGURA 4.1. Electrodo DORMO SX - 30 ECG utilizado. ................................... 56

FIGURA 4.2. Cable utilizado en el sistema EMG. .............................................. 56

FIGURA 4.3. Terminales básicos del amplificador de instrumentación AD620. . 58

FIGURA 4.4. Configuración interna del amplificador de instrumentación AD620.

............................................................................................................................ 59

FIGURA 4.5. Circuito para monitoreo médico de ECG (driver de pierna derecha).

............................................................................................................................ 61

FIGURA 4.6. Circuito de pierna derecha utilizado en EMG. ............................... 61

FIGURA 4.7. Circuito de acoplamiento de AC. ................................................... 62

FIGURA 4.8. Filtro atenuador de radio frecuencias. ........................................... 64

FIGURA 4.9. Condensadores de derivación. ...................................................... 64

FIGURA 4.10. Amplificador no inversor en la etapa de adquisición. .................. 65

FIGURA 4.11. Terminales básicos del amplificador operacional LM324N. ........ 67

FIGURA 4.12. Respuesta de amplitud de filtros Butterworth pasa bajas con una

frecuencia de corte de 500 [Hz]. ......................................................................... 68

FIGURA 4.13. Respuesta de fase de filtros Butterworth pasa bajas con una


FIGURA 4.14. Respuesta de amplitud de filtros Chebyshev pasa bajas con una


FIGURA 4.15. Respuesta de fase de filtros Chebyshev pasa bajas con una


XIX

FIGURA 4.16. Respuesta de amplitud de filtros Bessel pasa bajas con una


FIGURA 4.17. Respuesta de fase de filtros Bessel pasa bajas con una frecuencia

de corte de 500 [Hz]............................................................................................ 70

FIGURA 4.18. Comparativa de las respuestas de amplitud de filtros Butterworth,

Chebyshev y Bessel de 6° orden pasa bajas con una frecuencia de corte de 500

[Hz]. .................................................................................................................... 70

FIGURA 4.19. Filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con ganancia unitaria.

............................................................................................................................ 75

FIGURA 4.20. Respuesta de amplitud y fase adquirida en Matlab en base a la

función de transferencia del filtro pasa bajas diseñado. ..................................... 76

FIGURA 4.21. Filtro Butterworth pasa altas de sexto orden con ganancia unitaria.

............................................................................................................................ 79


función de transferencia del filtro pasa bajas diseñado. ..................................... 80

FIGURA 4.23. Filtro rechaza bandas Twin-T de segundo orden. ....................... 83


función de transferencia del filtro rechaza bandas. ............................................. 84

FIGURA 4.25. Amplificador no inversor en la etapa de filtrado. ......................... 85

FIGURA 4.26. Interferencia de 60 [Hz]. .............................................................. 85

FIGURA 4.27. Esquema simplificado del diodo 1N4148 (SOD27; DO - 35) y

símbolo. .............................................................................................................. 86

FIGURA 4.28. Rectificador de onda completa de precisión implementado. ....... 87

FIGURA 4.29. Filtro inversor pasa bajas de primer orden (alisado de la señal

SEMG rectificada). .............................................................................................. 89

FIGURA 4.30. Amplificador no inversor en la etapa de rectificación. ................. 91

FIGURA 4.31. Señal EMG simulada y adquirida con una ganancia de

aproximadamente 132 veces la señal original. ................................................... 92


función de transferencia de todos los filtros diseñados para el sistema. ............ 93

FIGURA 4.33. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro pasa bajas de

sexto orden de ganancia unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente

500 [Hz]. ............................................................................................................. 93

XX

FIGURA 4.34. Retardo de grupo del filtro pasa bajas de sexto orden de ganancia

unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente 500 [Hz] generado por

el software FilterPro de Texas Instruments. ........................................................ 94

FIGURA 4.35. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro pasa altas de

sexto orden de ganancia unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente

20 [Hz]. ............................................................................................................... 94

FIGURA 4.36. Retardo de grupo del filtro pasa altas de sexto orden de ganancia

unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente 20 [Hz] generado por el

software FilterPro de Texas Instruments. ........................................................... 95

FIGURA 4.37. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro rechaza bandas

de cuarto orden con ganancia 4 con una frecuencia media de aproximadamente

60 [Hz]. ............................................................................................................... 95

FIGURA 4.38. Retardo de grupo del filtro rechaza bandas de cuarto orden con

ganancia 4 con una frecuencia media de aproximadamente 60 [Hz] generado por

el software FilterPro de Texas Instruments. ........................................................ 96

FIGURA 4.39. Amplitud de entrada y amplitud de salida de los AO en configuración

no inversora utilizados a la salida de la etapa de adquisición y a la salida de la

etapa de filtrado con una ganancia de 11. .......................................................... 96

FIGURA 4.40. Amplitud de entrada y amplitud de salida del AO en configuración

no inversora utilizado a la salida de la etapa de rectificación con una ganancia

regulable de 1 ≤ 𝐺𝐺 ≤ 5,25. .................................................................................. 97

FIGURA 4.41. Simulación de la rectificación y alisado de una señal de entrada de

10 [mV] a 60 [Hz]. ............................................................................................... 97

FIGURA 4.42. Potenciales generados en puntos específicos de la simulación

completa del sistema. ......................................................................................... 98

FIGURA 4.43. Proyección 3D de la vista superior de la placa PCB con las etapas

de adquisición, filtrado y rectificación de la señal SEMG. ................................. 100

FIGURA 4.44. Proyección 3D de la vista inferior de la placa PCB con las etapas

de adquisición, filtrado y rectificación de la señal SEMG. ................................. 100

FIGURA 5.1. Músculos seleccionados para el registro de datos. ..................... 103

FIGURA 5.2. Ubicación 1 de los electrodos para los músculos seleccionados. 105

FIGURA 5.3. Ubicación 2 de los electrodos para los músculos seleccionados. 105

FIGURA 5.4. Pruebas preliminares de funcionamiento de sistema SEMG. ..... 107

XXI

FIGURA 5.5. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio

medial. .............................................................................................................. 108

FIGURA 5.6. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio

medial. .............................................................................................................. 108

FIGURA 5.7. Análisis de amplitud de la señal SEMG registrada en el músculo

gastrocnemio medial. ........................................................................................ 109

FIGURA 5.8. Análisis de frecuencia de la señal SEMG registrada en el músculo


FIGURA 5.9. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio

lateral. ............................................................................................................... 111

FIGURA 5.10. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo

gastrocnemio lateral.......................................................................................... 111





FIGURA 5.13. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo tibial anterior.

.......................................................................................................................... 113

FIGURA 5.14. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo tibial

anterior. ............................................................................................................. 114


tibial anterior. .................................................................................................... 115


tibial anterior. .................................................................................................... 115

FIGURA 5.17. Señal de salida rectificada con ganancia mínima proporcional a la

contracción muscular. ....................................................................................... 117

FIGURA 5.18. Señal de salida rectificada con ganancia máxima proporcional a la

contracción muscular. ....................................................................................... 117

XXII

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2.1. Algunos de los campos y áreas de aplicación actuales para la SEMG.

............................................................................................................................ 14

TABLA 2.2. Tipos de contracciones musculares. ............................................... 16

TABLA 2.3. Factores que afectan a la señal SEMG .......................................... 18

TABLA 2.4. Consideraciones para seleccionar el electrodo adecuado. ............. 24

TABLA 2.5. Especificaciones mínimas recomendadas para un amplificador de

SEMG. ................................................................................................................ 29

TABLA 2.6. Movimientos angulares máximos y mínimos para el tobillo. ........... 30

TABLA 4.1. Electrodos utilizados en electromiografía. ...................................... 54

TABLA 4.2. Tabla comparativa con las características relevantes para SEMG de

los amplificadores de instrumentación AD620 e INA128. ................................... 57

TABLA 4.3. Principales características de los amplificadores de propósito general:

LM324N y TL084. ............................................................................................... 66

TABLA 4.4. Huellas utilizadas para los elementos en el diseño de las tarjetas PCB.

............................................................................................................................ 99

TABLA 5.1. Músculos que intervienen en los movimientos del tobillo. ............ 102

TABLA 5.2. Procedimiento 1 para la colocación de los electrodos. ................. 104

TABLA 5.3. Procedimiento 2 para la colocación de los electrodos. ................. 105

TABLA 5.4. Test clínicos para adquirir la contracción máxima voluntaria de los

músculos seleccionados. .................................................................................. 106

TABLA 5.5. Características de la señal SEMG real promedio del músculo


TABLA 5.6. Características de la señal SEMG amplificada y filtrada proveniente

del músculo gastrocnemio medial. .................................................................... 109

TABLA 5.7. Características de la señal SEMG rectificada y suavizada proveniente

del músculo gastrocnemio medial. .................................................................... 110

TABLA 5.8. Características del espectro de frecuencias de la señal SEMG

proveniente del músculo gastrocnemio medial. ................................................ 110

TABLA 5.9. Características de la señal SEMG real promedio del músculo


XXIII


del músculo gastrocnemio lateral. .................................................................... 112

TABLA 5.11. Características de la señal SEMG rectificada y suavizada

proveniente del músculo gastrocnemio lateral. ................................................. 112


proveniente del músculo gastrocnemio lateral. ................................................. 113


del músculo tibial anterior. ................................................................................ 114

TABLA 5.14. Características de la señal SEMG real promedio del músculo tibial

anterior. ............................................................................................................. 114

TABLA 5.15. Características de la señal SEMG rectificada y suavizada

proveniente del músculo tibial anterior.............................................................. 115


proveniente del músculo tibial anterior.............................................................. 116

TABLA 5.17. Comparativa de las características de las señales SEMG. ........ 116

TABLA 5.18. Comparativa entre las principales características de las señales

SEMG de los músculos seleccionados. ............................................................ 117

XXIV

ÍNDICE DE ECUACIONES

ECUACIÓN 2.1. Voltaje de salida para un amplificador operacional no inversor.

............................................................................................................................ 33

ECUACIÓN 2.2. Ganancia para un amplificador operacional no inversor. ......... 33

ECUACIÓN 2.3. Voltaje de salida para un amplificador operacional inversor. ... 34

ECUACIÓN 2.4. Ganancia para un amplificador operacional inversor. .............. 34

ECUACIÓN 2.5. Voltaje de salida para un amplificador operacional sumador. .. 34

ECUACIÓN 2.6. Relación entre las resistencias para un amplificador operacional

diferencial. .......................................................................................................... 35

ECUACIÓN 2.7. Voltaje de salida para un amplificador operacional diferencial. 35

ECUACIÓN 2.8. Voltaje de salida para un amplificador operacional integrador. 37

ECUACIÓN 2.9. Cálculo 1 del voltaje de salida para un amplificador operacional

de instrumentación. ............................................................................................ 39

ECUACIÓN 2.10. Cálculo 2 del voltaje de salida para un amplificador operacional

de instrumentación. ............................................................................................ 39

ECUACIÓN 2.11. Ecuación para el cálculo de la transformada rápida de Fourier.

............................................................................................................................ 42

ECUACIÓN 4.1. Ganancia para el amplificador de instrumentación AD620. ..... 59

ECUACIÓN 4.2. Voltaje de pre amplificación VA en función de los voltajes de

entrada V1 y V2 en un amplificador de instrumentación. ..................................... 60

ECUACIÓN 4.3. Voltaje de pre amplificación VB en función de los voltajes de

entrada V1 y V2 en un amplificador de instrumentación. ..................................... 60

ECUACIÓN 4.4. Voltaje de salida Vo en función de voltajes de pre amplificación

VA y VB en un amplificador de instrumentación. ................................................ 60

ECUACIÓN 4.5. Voltaje de salida Vo en función de voltajes de pre amplificación

VA y VB simplificado para valores de resistencias iguales en un amplificador de

instrumentación. ................................................................................................. 60

ECUACIÓN 4.6. Función de transferencia del amplificador de instrumentación

AD620. ................................................................................................................ 60

ECUACIÓN 4.7. Cálculo para el circuito de acoplamiento AC. .......................... 62

ECUACIÓN 4.8. Ancho de banda diferencial para un filtro RF. .......................... 63

XXV

ECUACIÓN 4.9. Ancho de banda común para un filtro RF. ............................... 63

ECUACIÓN 4.10. Función de transferencia de un amplificador operacional no

inversor. .............................................................................................................. 65

ECUACIÓN 4.11. Cálculo de resistencias para un filtro pasa bajas. .................. 72

ECUACIÓN 4.12. Condición para seleccionar el valor de los condensadores de un

filtro pasa bajas. .................................................................................................. 72

ECUACIÓN 4.13. Coeficiente a1 para un filtro pasa bajas. ................................ 73

ECUACIÓN 4.14. Coeficiente b1 para un filtro pasa bajas. ................................ 73

ECUACIÓN 4.15. Factor de calidad de un filtro pasa bajas y de un filtro pasa altas.

............................................................................................................................ 73

ECUACIÓN 4.16. Función de transferencia para un filtro pasa bajas de segundo

orden................................................................................................................... 75

ECUACIÓN 4.17. Cálculo de resistencia R1 para un filtro pasa altas. ............... 77

ECUACIÓN 4.18. Cálculo de resistencia R2 para un filtro pasa altas. ............... 77

ECUACIÓN 4.19. Coeficiente a1 para un filtro pasa altas. .................................. 77

ECUACIÓN 4.20. Coeficiente b1 para un filtro pasa altas. ................................. 77

ECUACIÓN 4.21. Función de transferencia para un filtro pasa altas de segundo

orden................................................................................................................... 79

ECUACIÓN 4.22. Cálculo de la frecuencia media para un filtro rechaza bandas.

............................................................................................................................ 81

ECUACIÓN 4.23. Cálculo de la ganancia para un filtro rechaza bandas. .......... 81

ECUACIÓN 4.24. Cálculo de la calidad de rechazo para un filtro rechaza bandas.

............................................................................................................................ 81

ECUACIÓN 4.25. Cálculo de R2 estableciendo la ganancia de la frecuencia media

para un filtro rechaza bandas. ............................................................................ 82

ECUACIÓN 4.26. Cálculo de R2 estableciendo una calidad de rechazo específica

para un filtro rechaza bandas. ............................................................................ 82

ECUACIÓN 4.27. Función de transferencia para un filtro rechaza bandas de

segundo orden. ................................................................................................... 83

ECUACIÓN 4.28. Función de transferencia del rectificador de onda completa para

valores negativos de la entrada. ......................................................................... 87

ECUACIÓN 4.29. Función de transferencia del rectificador de onda completa para

valores negativos de la entrada. ......................................................................... 87

XXVI

ECUACIÓN 4.30. Condición 1 para el funcionamiento del rectificador de onda

completa. ............................................................................................................ 88

ECUACIÓN 4.31. Condición 2 para el funcionamiento del rectificador de onda

completa. ............................................................................................................ 88

ECUACIÓN 4.32. Voltaje de rizado máximo del circuito de alisado. .................. 89

ECUACIÓN 4.33. Corriente máxima del circuito de alisado. .............................. 89

ECUACIÓN 4.34. Función de transferencia para el circuito de alisado. ............. 90

CAPÍTULO I

1. GENERALIDADES

En este Capítulo, en primera instancia se introduce el concepto de Biomecatrónica

y su aplicación para la actual investigación; se plantea la situación problemática

actual, para la cual se establecen objetivos que permiten solucionar el problema;

se argumenta los motivos de la investigación y se delimita la investigación

estableciendo su alcance y sus limitaciones.

1.1. INTRODUCCIÓN

La contracción de una fibra muscular genera un potencial de acción o impulso

eléctrico. Su utilización, conjuntamente con dispositivos electrónicos y mecánicos

conforman un sistema integrado en el área de “Biomecatrónica”. Recientemente,

la utilización de sistemas de adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas estaban dedicados específicamente a investigaciones médicas

de rehabilitación, ergonomía, ciencia del deporte, entre otras (Konrad, 2005); sin

embargo, con el auge de la utilización de estos sistemas en los campos de la

Biomecatrónica y sistemas computacionales se ha logrado integrar en muchos de

los dispositivos de última generación, tal es el caso de prótesis robóticas

mioeléctricas (Pinwei, 2010) (Zhang & Luan, 2007), dispositivos de control

inalámbricos para mecanismos en la industria (Kobayashi, 2013), dispositivos de

entrada para computadores y consolas de video juegos (Greene, 2009), etc.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Según el Informe mundial sobre la discapacidad publicado por la Organización

Mundial de la Salud (OMS); se estima que más de mil millones de personas viven

con algún tipo de discapacidad; o sea, alrededor del 15% de la población mundial,

esta cifra es superior a las estimaciones previas de la Organización Mundial de la

Salud, correspondientes a los años 1970, que eran de aproximadamente un 10%;

lo que indica que el número de personas con discapacidad está creciendo

(Organización Mundial de la Salud, 2011).

2

De acuerdo con el Consejo Nacional de Igualdad de Discapacidades del

Ecuador (CONADIS), en Ecuador, aproximadamente 397233 personas tienen

algún tipo de discapacidad y aproximadamente 193905 personas tiene algún tipo

de discapacidad física en todo el país. De estas cifras 4620 personas tienen

discapacidad física en la provincia de Imbabura (Consejo Nacional de Igualdad de

Discapacidades, 2014).

En la Facultad de Ciencias de la Salud específicamente en la Carrera de Terapia

Física de la Universidad Técnica del Norte (UTN), existen estudios e

investigaciones que han determinado que en la Provincia de Imbabura existe un

elevado número de personas con discapacidad y dentro de las discapacidades

físicas el caso más común de amputación es la amputación transtibial (Dávila ,

2013) (Cevallos & Hidrobo, 2013).

En la Constitución vigente del Ecuador dentro del Plan Nacional del Buen Vivir

(Objetivo 3); figuran políticas que identifican a las personas con discapacidad

como un grupo de atención prioritaria, incluyendo políticas de inclusión y equidad

social, laboral, educación, rehabilitación, entre otras (Secretaría Nacional de

Planificación y Desarrollo, 2013).

La inserción social, productiva y laboral de las personas con discapacidad no es

solo preocupación del Gobierno, sino también de otros sectores del país, por

ejemplo las Universidades. Se busca poner en práctica conocimientos adquiridos

en la aplicación de nuevas herramientas, en este caso prótesis robóticas, que

sirvan de apoyo a los discapacitados utilizando las señales eléctricas producidas

por los músculos remanentes de la lesión. Estas señales son usadas como base

de prótesis mecanizadas y computarizadas permitiendo entregar a las personas

que carecen de una de sus extremidades un beneficio social que le permita la

autonomía personal y el acceso a la salud, educación, trabajo, recreación,

deportes, etc.

En el desarrollo de prótesis robóticas, en general, es necesario e indispensable

hacer uso de la electromiografía (evaluación y registro de la actividad eléctrica

producida por los músculos). Este tipo de prótesis requieren la disposición de estas

señales en tiempo real y en un rango utilizable para que puedan ser controladas

3

eficaz y eficientemente; así como también, se requiere entrenar a la persona para

la cual se está desarrollando la prótesis.

En el Ecuador, el desarrollo de sistemas electromiográficos es dependiente de la

tecnología extranjera. La inexistencia de una amplia variedad de sensores

disponibles en el país, para este tipo de aplicaciones, dificulta el diseño y

construcción de posibles prótesis robóticas; por lo que es necesario, buscar en el

mercado internacional sensores y dispositivos que se adapten a los

requerimientos de un sistema en desarrollo.

La falta de creación de tecnología nacional genera un impedimento en el desarrollo

de dispositivos tecnológicos en el país, este impedimento evita la solución de la

problemática que representa la inserción social de las personas con discapacidad

y con miembros amputados. Las prótesis actuales plantean soluciones que

presentan limitadas expectativas en lo que a estética personal y funcionalidad se

refiere. La utilización de prótesis mioeléctricas será una solución integral y

definitiva a diferencia de las prótesis existentes en la actualidad.

Con la fabricación de este dispositivo, que permite la adquisición y

acondicionamiento de la señal electromiográfica, se busca eliminar muchos de los

problemas que se presentan al momento de realizar prótesis inteligentes y otros

dispositivos, que basen su funcionamiento en las señales eléctricas musculares.

1.3. OBJETIVO GENERAL

• Construir un sistema para la adquisición y acondicionamiento de la señal

electromiográfica para el accionamiento de un tobillo robótico.

1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Seleccionar el tipo de electrodo que facilite la obtención de la actividad

eléctrica del músculo.

• Diseñar el sistema para la obtención y acondicionamiento de las señales

eléctricas.

• Seleccionar los componentes electrónicos existentes en el mercado.

4

• Simular el esquema eléctrico y/o electrónico del sistema haciendo uso de

un programa computacional.

• Construir el dispositivo electromiográfico.

• Probar el dispositivo en un paciente sano.

1.5. JUSTIFICACIÓN

La investigación para el desarrollo y fabricación de tecnología nacional potenciaría

las capacidades internas del país fortaleciendo ámbitos como el social y

tecnológico. Esta investigación brindará datos e información como base para

nuevas investigaciones contribuyendo a la transferencia tecnológica para el

crecimiento endógeno del país.

Con el desarrollo del sistema que se presenta como trabajo de grado se iniciaría

una línea de investigación con el fin de aportar en la solución de los problemas

actuales que se presentan en la movilidad de las personas con amputación

transtibial.

El registro de la actividad eléctrica por el sistema en cuestión establecería bases

para posteriores proyectos orientados al desarrollo de prótesis robóticas

inteligentes; las cuales se están ejecutando como líneas de investigación en la

Facultad de Ingeniería de Ciencias Aplicadas de la Universidad Técnica del Norte.

1.6. ALCANCE

En el presente trabajo de grado, se diseña e implementa un sistema electrónico

capaz de adquirir y acondicionar las señales eléctricas producidas en tiempo real

por los músculos que generan el movimiento del tobillo, censados por medio de

electrodos electromiográficos; con el fin de que dichas señales se encuentren en

un rango estándar para acoplar a cualquier mecanismo de prótesis electrónicas

para personas que han sufrido amputaciones transtibiales. Las pruebas del

sistema en cuestión serán realizadas por una persona sana sin ningún tipo de

discapacidad con el objetivo de calibrar el sistema y desarrollar el posterior manual

del sistema.

5

1.7. LIMITACIONES

El dispositivo permite obtener la señal mioeléctrica de la acción de un solo

músculo, para la determinación del músculo del cual se obtendrá la señal se

realizarán gráficas y tablas comparativas con la respuesta adquirida en base a

pruebas experimentales de los músculos que inciden en el movimiento del tobillo.

El sistema posee una salida ajustable; esta salida ajustable permite regular el

rango de voltaje de salida; su valor por defecto será establecido en un rango

estándar de uso.

CAPÍTULO II

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

En este Capítulo, se establece todas las bases teóricas requeridas para el diseño

y construcción del sistema de adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas de la presente investigación.

2.1. ESTADO DEL ARTE

El primer dispositivo que se utilizó como una “interfaz mioeléctrica” para el mando

de un dispositivo de prótesis robótica fue desarrollado en 1960 en la Unión

Soviética, hoy conocida como Rusia por N. Kobrinsky, M. Breydo, B. Gurfinkel, A.

Sysin, and J. Jacobson. (Basmajian & De Luca, 1985) (De Luca, 2006).

Investigaciones relacionadas con el uso y aplicación de la electromiografía son

relativamente nuevas; la Figura 2.1 presenta el número de publicaciones

relacionadas y el año de publicación. Se puede observar que con el avance de los

años el número de publicaciones va en aumento.

FIGURA 2.1. Crecimiento en el número de publicaciones relacionadas con EMG desde mediados

de los años 1940s.

Fuente: (Kamen & Gabriel, 2010)

El “Estudio sobre la tecnología de medición y procesamiento de electromiografía”

desarrollado por Zhang Xiaodong y Luan Haojie de la Universidad Politécnica del

Noroeste de Xi’an, China, detalla el diseño completo de un sistema de medida

electromiográfico; este sistema presenta una etapa de amplificación inicial, filtrado

paso bajo de 300 [Hz], una nueva etapa de amplificación y un filtro elimina banda

de 60 [Hz], una conversión análoga digital y el procesamiento final en el

8

computador, además se presenta la aplicación del sistema en una mano virtual

programada con una herramienta computacional (Zhang & Luan, 2007).

En lo que a electromiografía se refiere en la Quinta Conferencia Internacional de

Latino América y El Caribe para Ingeniería y Tecnología (LACCEI) realizada desde

el 29 de mayo hasta el 1 de junio del 2007 en Tampico, México se publicó la

investigación “Diseño y construcción de un sistema de adquisición y visualización

de señales electromiográficas” por Jaime F. Delgado Saa, Erick Vallejo y Jaime

Torres de la Universidad del Norte, Barranquilla, Colombia. El sistema

desarrollado adquiere la señal de forma diferencial mediante tres electrodos, la

primera etapa es la encargada de elevar la amplitud y con un sistema de acople

de AC elimina la banda de los 0 [Hz] a 20 [Hz], posteriormente la señal es filtrada

con un filtro de octavo orden tipo Butterworth con el objetivo de eliminar

componentes de alta frecuencia que no son de interés, finalmente la señal es

nuevamente amplificada para poder ser utilizada en un conversor análogo digital

(Delgado, et al., 2007).

En el año 2009 Microsoft patento un sensor para reemplazar el uso del mouse,

teclado y pantallas táctiles; la “interfaz controlada por músculos” basa su

funcionamiento en los gestos o movimientos que realiza la persona con los brazos

(manos libres); este sensor cuenta con varios electrodos colocados alrededor del

brazo y dependiendo de la combinación de sus respuestas se representa un gesto

o movimiento determinado (Greene, 2009).

Publicado en el año 2010 en la Conferencia Internacional Futura Tecnología de la

Información e Ingeniería de Gestión (FITME), el artículo “Diseño de circuito de

detección de electromiografía superficial”, cuya implementación se muestra en la

figura (Véase Figura 2.2); presenta el análisis de las características de un modelo

de electromiografía superficial SEMG y un circuito de detección con alta relación

de rechazo de modo común (CMRR), incluyendo aislamiento de señal de corriente

continua (DC), un circuito de pre amplificación, un filtro elimina bandas de 50 [Hz]

y filtrado de paso bajas y pasa altas (Pinwei, 2010).

9

FIGURA 2.2. Implementación del circuito de detección en el control de prótesis de mano.

Fuente: (Pinwei, 2010)

Publicado Para el 10° Congreso Nacional de Mecatrónica en el año 2011 en Puerto

Vallarta, Jalisco, el artículo de investigación “Detección y Acondicionamiento de

Señales Mioeléctricas” por Ramiro Ramos Mario, Vergara Betancourt Ángel,

Vázquez Gerónimo Gustavo, Hernández García Edgar y Juárez Ramiro Luis,

presenta el diseño y construcción de una tarjeta electrónica para la adquisición de

las señales mioeléctricas generadas por los músculos de los brazos para controlar

dispositivos electro - mecánicos; además muestra un panorama con las posibles

aplicaciones de la tarjeta en el campo de la ingeniería. Las etapas de las que está

compuesto el sistema son: pre amplificación con amplificadores de

instrumentación, un filtro pasa bajas y rechaza bandas activo y un filtro pasa altas

pasivo, una nueva amplificación y filtrado, conversión análogo – digital (A/D), etapa

de potencia utilizando relés y transistores de potencia y finalmente el actuador

(Ramiro, et al., 2011).

En el 18° Congreso Argentino de Bioingeniería y las VII Jornadas de Ingeniería

Clínica, SABI - 2011, realizado en el Mar del Plata del 28 al 30 de septiembre de

2011 fue publicado el artículo “Sistema de adquisición y visualización de señales

mioeléctricas” cuyos autores son Matías N López, Víctor Toranzos y Oscar G

Lombardero; se presenta el diseño y construcción de un sistema básico que

detecta, adquiere y acondiciona la señales mioeléctricas superficiales además de

la transmisión de las mismas a una PC para su procesamiento en el software

Matlab. La adquisición del sistema está restringida al rango de frecuencias de 20

- 400 [Hz], CMRR de 86 [dB], amplitud de 0,1 [mV] a 5 [mV] con una ganancia

máxima de 2541 veces; mientras que para la visualización se utiliza una resolución

10

de 10 bits con una frecuencia de muestreo de 5000 [Hz] trasmitida a 115200

[Bauds] (López, et al., 2011).

Uno de las investigaciones presentadas en la 34° Conferencia Anual Internacional

de la IEEE para la Ingeniería en medicina y Sociedad de Biología (EMBC) en San

Diego, California, EE.UU. fue la investigación “Electromiografía implantable

multicanal inalámbrica para prótesis” desarrollada por Daniel McDonnall, Scott

Hiatt , Christopher Smith y K. Shane Guillory; la investigación se centra en el

desarrollo del prototipo implantable presentado en la Figura 2.3, el cual permite el

registro de múltiples canales independientes de EMG y en el envío de estas

señales inalámbricamente a un receptor externo, las características del

amplificador utilizado son: ruido de entrada referido de 2,2 [µVrms], CMRR mayor

a 55 [dB] y un aislamiento entre canales de 66 [dB] de promedio (McDonnall, et

al., 2012).

FIGURA 2.3. Prototipo implantable utilizado para la validación preliminar del estudio.

Fuente: (McDonnall, et al., 2012)

La “Interfaz compacta hombre maquina utilizando electromiografía de superficie”

desarrollado por Luke P. Simmons y James S. Welsh publicada en la Conferencia

Internacional sobre Mecatrónica Inteligente Avanzada (AIM) en el año 2013 en

Australia; presenta el desarrollo de un sistema de electromiografía de superficie

de bajo costo y su eficacia como dispositivo de interfaces hombre maquina; su

diseño es compacto y mantiene la calidad de sistemas más complejos logrando

que el dispositivo pueda ser comercializado (Simmons & Welsh, 2013).

En abril del año 2013, se publica el artículo “Sistema de Adquisición de

electromiografía (EMG) - electrocardiograma (ECG) con parámetros ajustables en

línea utilizando la tecnología inalámbrica ZigBee”, desarrollado por Hiroyuki

Kobayashi del Instituto de Tecnología de Japón; el artículo describe el sistema de

adquisición, el cual consta principalmente de dos componentes, uno de ellos un

11

electrodo inteligente que puede cambiar su parámetros digitales y análogos en

línea y el otro un servidor de adquisición de datos. El sistema completo se muestra

a continuación en la Figura 2.4 (Kobayashi, 2013).

FIGURA 2.4. Adquisición EMG con el electrodo Vampire-Bat y tecnología ZigBee.

Fuente: (Kobayashi, 2013)

En resumen, si bien los dispositivos antes mencionados son diferentes y poseen

diferentes aplicaciones, se puede establecer ciertas similitudes entre todos ellos:

la mayoría requiere del uso de un amplificador de instrumentación para la

adquisición de la señal electromiográfica, este amplificador posee ciertas

características indispensables para su uso en la electromiografía como bajo ruido,

alta ganancia, alta relación de rechazo de modo común, entre otros; la utilización

de filtros es necesaria debido a las interferencias que se generan y por el bajo

potencial de este tipo de señales, filtros pasa bajas, filtros pasa altas y un filtro

rechaza bandas de 50 [Hz] y 60 [Hz] son utilizados. Además se utilizan circuitos

de protección, acople de AC, conversión análoga – digital, rectificación de la señal,

comunicación inalámbrica, entre otros.

2.2. HISTORIA DE LA ELECTROMIOGRAFÍA

El estudio de la electricidad y la actividad muscular inicia en el Renacimiento,

Andreas Vesalio conocido como “el padre de la anatomía moderna” produjo varios

análisis de los músculos, sin embargo sus estudios se enfocaron a los músculos

muertos más no a su dinámica (Basmajian & De Luca, 1985).

El italiano Francisco Redi en 1666 sostuvo que el choque eléctrico de los peces

raya eran de origen muscular. En 1791 Luigi Galvani experimento en los músculos

de las ancas de una rana tocándolas con varillas metálicas y observo que al aplicar

corriente eléctrica las patas respondían realizando un movimiento (Basmajian &

De Luca, 1985).

12

Utilizando el primer galvanómetro desarrollado en 1820 por Schweigger, en el año

de 1838, Carlo Mateucci comprobó que una mínima corriente eléctrica se genera

en los músculos; atraído por el trabajo de Matteucci, en 1849 Frenchman Dubois

Reymond fue el primero en reportar la detección de señales eléctricas

voluntariamente provocadas de los músculos humanos desarrollando un electrodo

superficial formado por un cable junto a un papel secante sumergido en un frasco

de solución salina (Basmajian & De Luca, 1985).

Las técnicas de detección se simplificaron al utilizar tubos de rayos catódicos,

inventados por Braun en 1897; con la introducción de los amplificadores de tubos

de vacío la tarea de detectar la señal electromiográfica se simplifico en gran

medida. Sin embargo, el impacto en la comunidad clínica se produjo después de

que el introducción del electrodo de aguja por Adrian y Bronk en el año 1929.

Estudios de kinesiología han proliferado sólo después de la aparición del electrodo

superficial de cloruro de plata eléctricamente estable y el electrodo de cable no

invasivo que aparecieron alrededor de 1960 (De Luca, 2006).

A finales de 1970 y principios de 1980 se inició el uso de algoritmos informáticos

sofisticados y teoría de la comunicación para descomponer la señal de EMG en

señales eléctricas individuales de las fibras musculares. La década de 1990 vio la

aplicación efectiva de las técnicas de procesamiento de la señal moderna para el

análisis y uso de la señal electromiográfica (De Luca, 2006).

2.3. SEÑALES BIOELÉCTRICAS MUSCULARES

El proceso de generación de movimiento en un músculo inicia cuando el cerebro

envía instrucciones como un conjunto de impulsos eléctricos a través de células

especiales denominadas neuronas, las cuales se encargar de enviar y recibir estos

impulsos a través del sistema nervioso central y periférico; en este proceso una

motoneurona tiene la función específica de enviar y recibir los impulsos eléctricos

desde la espina dorsal hasta las fibras musculares (Gardner, et al., 1979).

Inmerso en el estudio de la actividad muscular se encuentra el estudio de las

unidades motoras (Véase Figura 2.5); las mismas fueron descritas por primera vez

por Sherrington, quien determinó que “una unidad motora está constituida de una

13

sola motoneurona y todas las fibras musculares están constituidas por esta

motoneurona” (Kamen & Gabriel, 2010); una unidad motora constituye la más

pequeña unidad con la cual se describe el control neuronal del proceso de

contracción muscular (Basmajian & De Luca, 1985).

El número de fibras musculares conectadas a una única unidad motora puede

variar de decenas a miles (Heckman & Enoka, 2004). Para realizar movimientos

como la extensión o flexión de una extremidad se requiere el funcionamiento en

conjunto de varias motoneuronas, estimulando varios músculos ligados a varias

unidades motoras.

FIGURA 2.5. Elementos constituyentes de una unidad motora.

Fuente: (Criswell, 2010)

Los músculos son tejidos rodeados por una membrana llamada sarcolema que

están constantemente en un medio iónico. Las fibras musculares son excitables;

es así que cuando una de ellas se despolariza alrededor de 10 [mV] o más,

produce un potencial de acción como respuesta a la despolarización, este

potencial de acción se determina en base a los cambios en la permeabilidad de

la membrana a iones Na+ y K+ como se muestra en la Figura 2.6 (Kamen &

Gabriel, 2010).

FIGURA 2.6. Curso temporal del potencial de acción de la fibra muscular.


14

2.4. ELECTROMIOGRAFÍA

La electromiografía se define de distintas maneras, en conjunto estas definiciones

brindan una idea clara del enfoque de la electromiografía, a continuación se

señalan algunas de estas definiciones:

“La electromiografía es el estudio de la función muscular a través de la adquisición

de la señal eléctrica que los músculos generan” (Basmajian & De Luca, 1985).

“La electromiografía es una técnica de evaluación para el estudio del movimiento

humano, evaluando mecanismos que relacionan fisiología neuromuscular y

diagnóstico de trastornos neuromusculares” (Kamen & Gabriel, 2010).

“La electromiografía es una técnica experimental que trata del desarrollo, registro

y análisis de las señales bioeléctricas” (Konrad, 2005).

A continuación se presenta la Tabla 2.1 con algunos de los campos de aplicación

de la electromiografía superficial SEMG y sistemas electromiográficos

superficiales.

Áreas de aplicación para la SEMG

Campo Aplicaciones en SEMG

Investigación

neurofisiológica

- Neurología funcional.

- Ortopedia y cirugía neuromuscular.

- Análisis de la marcha y la postura.

Rehabilitación

- Rehabilitación neurológica e ingeniería de neurorehabilitación.

- Fisioterapia y la terapia de entrenamiento activo.

- Control de extremidades humanas paralizadas o de una prótesis.

Ergonomía - Análisis y diseño ergonómico de los lugares de trabajo.

- Prevención de riesgos y detección temprana de trastorno.

Deportes y la

ciencia del

movimiento

- Biomecánica y análisis del movimiento.

- Seguimiento de la fuerza o la resistencia del entrenamiento.

- La rehabilitación de lesiones deportivas.

- Diseño óptimo de los equipos o instrumentos deportivos.

TABLA 2.1. Algunos de los campos y áreas de aplicación actuales para la SEMG.

Fuente: (Barbero, et al., 2012)

15

En la electromiografía de superficie debido a que múltiples fibras musculares están

inervadas por una sola motoneurona, al activarse esta motoneurona activa de

manera casi simultánea a varias fibras musculares; la suma de todos estos

potenciales individuales genera un potencial de acción en la unidad motora

(MUAP), la suma algebraica de estos potenciales de acción se considera como la

señal electromiográfica proveniente del conjunto de fibras musculares que

constituyen un músculo específico como se observa en la Figura 2.7 (Kamen &

Gabriel, 2010).

FIGURA 2.7. Suma algebraica de todos los potenciales de acción de las unidades motoras.


2.5. CARACTERIZACIÓN DE LA SEÑAL EMG

La amplitud de una señal SEMG no es igual a la fuerza (Basmajian & De Luca,

1985). Los resultados muestran que la fuerza de contracción tiene una dispersión

de aproximadamente del 25% del valor medio dependiendo del nivel físico de los

sujetos estudiados.

FIGURA 2.8. Efectos del músculo en la relación señal SEMG – fuerza.

N: promedio del número de contracciones isométricas para cada grupo muscular.

Fuente: (Lawrence & De Luca, 1983)

16

Durante contracciones isométricas de músculos pequeños se tiene una relación

casi lineal entre fuerza y SEMG mientras que músculos grandes como el bíceps

asumen una relación curvilínea (Véase Figura 2.8) (Criswell, 2010).

La cantidad de fuerza o esfuerzo que un músculo puede aplicar depende de la

longitud en reposo del mismo, la relación longitud - tensión se mide por el grado

de superposición de sus unidades anatómicas y funcionales (sarcómeros); la

Figura 2.9 muestra la relación entre la tensión muscular y el porcentaje de longitud

de reposo de un músculo aislado.

FIGURA 2.9. Curva tensión – longitud para un músculo aislado.

Fuente: (Gowitzke & Milner, 1988)

La cantidad de fuerza de un músculo también se ve afectado por la velocidad y el

tipo de contracción; en la Tabla 2.2 se detalla los tipos de contracciones que se

pueden realizar en un músculo (Criswell, 2010).

Contracciones musculares

Tipo Caracterización

Isométrica El músculo tiene longitud fija promedio o la articulación está en un ángulo fijo.

Isotóica Una contracción que produce fuerza promedio constante.

Isocinética Contracción a velocidad lineal constante o velocidad angular constante.

Concéntrica Músculo se acorta bajo tensión.

Excéntrica Músculo se alarga bajo tensión.

TABLA 2.2. Tipos de contracciones musculares.

Fuente: (Soderberg, 1992)

17

La forma de la onda del potencial de acción depende de la orientación del

electrodo con respecto a las fibras musculares; típicamente al colocar los

electrodos alineados en paralelo a las fibras musculares la forma de onda será

bifásica y el signo de las fases dependerá de la dirección desde que la

despolarización de la membrana muscular se acerca al sitio de detección

(Basmajian & De Luca, 1985).

La amplitud pico - pico promedio de una MUAP detectada por electrodos invasivos

es de unos pocos micro voltios a 5 [mv] con una duración en el rango de 1 a 13

[ms] (Basmajian & De Luca, 1985); mientras que para electromiografía superficial

el rango típico de amplitud pico - pico está entre 0,01 [mv] a 5 [mv] y la frecuencia

está entre 1 [Hz] - 300 [Hz], las figuras: Figura 2.10 y Figura 2.11 representan el

espectro de frecuencias típico de este tipo de señal (Soderberg, 1992).

FIGURA 2.10. Espectro de frecuencias de una señal electromiográfica obtenida mediante la

transformada de Fourier.

Fuente: (Aparicio, 2005)

FIGURA 2.11. Representación esquemática del espectro de una señal típica de SEMG.

18

2.6. FACTORES QUE AFECTAN A LA SEÑAL EMG

A nivel muscular e instrumentación empleada en el circuito de detección, existen

varios factores que caracterizan e influencian a la señal EMG específicamente en

su amplitud pico - pico y su frecuencia; todos estos factores hacen imposible

especificar una amplitud y frecuencia definitiva. A continuación en la Tabla 2.3 se

presentan estos factores y su influencia en la señal electromiográfica.

Factores que afectan a la señal SEMG

Factor Influencia

Fisiología de la fibra

muscular

La velocidad de conducción de las fibras musculares.

La tasa de disparo de potenciales de acción de la unidad motora.

Anatomía muscular

La orientación y distribución de las fibras musculares de las

unidades motoras.

El diámetro de las fibras musculares.

El número total de unidades motoras.

Tamaño y la orientación

del electrodo

El número de fibras musculares dentro de la zona de detección

del electrodo.

El número de unidades motoras dentro de la zona de detección

de la superficie del electrodo respecto a las fibras musculares.

Interface electrodo -

electrolito

Materiales y preparación de electrodo.

La ubicación del electrodo.

Impedancia del electrodo con frecuencia en aumento.

Configuración de

electrodo bipolar

Efecto de la distancia entre los electrodos de detección y de

ancho de banda (filtro de paso de banda).

La orientación de los electrodos de detección con respecto al eje

de las fibras musculares.

TABLA 2.3. Factores que afectan a la señal SEMG


Además de los factores mencionados en la Tabla 2.3, al momento de adquirir

señales electromiográficas siempre existe ruido (señales o interferencias no

deseadas detectadas conjuntamente con la de importancia) (Day, 2002); el ruido

puede provenir de varios medios tales como:

19

Ruido de ambiente: generado por dispositivos electromagnéticos generalmente

conectados a la línea de corriente alterna (AC); típicamente la frecuencia de estas

señales es de 50 [Hz] o 60 [Hz].

Ruido de transductor: generado por la unión electrodo - piel, puede ser de dos

tipos; potencial de acción de corriente directa (DC) y potencial de acción de

corriente alterna (AC). El primero causado por la diferencia en la impedancia entre

la piel y el electrodo y por reacciones químicas en la región de contacto entre el

electrodo y el gel conductor (Gerdle, et al., 1999); mientras el segundo es causado

por fluctuaciones en la impedancia entre el transductor conductivo y la piel

(Duchêne & Goubel, 1992). La consistencia de la impedancia es crítica para

garantizar las mediciones EMG; el uso de pre amplificación con alta impedancia

reduce la importancia de un bajo nivel de impedancia en la unión electrodo - piel,

la estabilidad de la impedancia en el tiempo y el equilibrio de impedancia entre

electrodos minimizan el ruido en los componentes; además la impedancia debe

ser constante durante toda una sesión de medición (Day, 2002).

El llamado “Cross talk” que se define como la señal de los músculos cercanos al

electrodo que también son captados (Basmajian & De Luca, 1985); típicamente

estas señales no exceden el 10% - 15% del contenido general de la señal

adquirida (Konrad, 2005). Estas señales pueden ser evitadas seleccionando

apropiadamente el tamaño del área de detección de los electrodos y la distancia

entre electrodos (Day, 2002).

Al producirse una contracción muscular sostenida durante un período

suficientemente largo, parámetros como la velocidad de conducción de los

potenciales de acción a lo largo de las fibras musculares tienden a disminuir

paulatinamente; por lo que el músculo tiende a descargarse o contraerse con

menor frecuencia.

La fatiga muscular se asocia con la inadecuada perfusión del tejido, agotamiento

de la fuente de energía y la acumulación de metabolitos (Criswell, 2010).

Gráficamente todos los factores que afectan e interfieren a una señal SEMG son

presentados en la figura (Véase Figura 2.12).

20

FIGURA 2.12. Factores que afectan a la señal SEMG en un sistema con amplificadores

diferenciales.


2.7. ELECTRODOS

Los elementos capaces de adquirir la señal bioeléctrica muscular y transferirla al

dispositivo electrónico capaz de manejar y acondicionar la señal de entrada para

obtener una señal de salida son conocidos como “electrodos”. Para la detección

de señales electromiográficas se utilizan básicamente electrodos de dos tipos:

electrodos de aplicación superficial y electrodos que necesitan ser insertados (de

agujas o alambre) en configuración monopolar o bipolar respectivamente.

2.7.1. ELECTRODOS NO INVASIVOS (SUPERFICIALES)

Está técnica de adquisición permite obtener la suma de los potenciales de acción

de las unidades motoras que se activan en el movimiento muscular. Este tipo de

electrodos se aplican directamente sobre la piel del músculo por lo cual no tienen

la capacidad de obtener cierto potencial de cierta unidad motora en la fibra

muscular. Se utilizan en aplicaciones donde el estudio y manejo de la señal

promedio de la actividad bioeléctrica de un músculo es útil, como por ejemplo en

el campo de la ciencia del deporte, rehabilitación y ergonomía (Konrad, 2005).

Existen dos tipos de electrodos superficiales: pasivos y activos; su principal

diferencia radica en que los pasivos consisten básicamente de un elemento

21

conductor que censa la actividad bioeléctrica a través de la piel mientras que los

activos además de este elemento conductor cuentan con un sistema amplificador

de alta impedancia de entrada integrado.

Fuente: (Delsys Inc, 2015)

Los electrodos superficiales pasivos presentados en la Figura 2.13, al estar

compuestos simplemente con un elemento conductor típicamente de plata, se ven

obligados a utilizar un gel, una pasta conductora o también a eliminar la capa

superficial de la piel con el objetivo de mejorar el contacto eléctrico (Webster,

1988).

Los electrodos superficiales activos presentados en la Figura 2.14, eliminan la

necesidad de preparar la piel o el medio conductor; típicamente estos electrodos

son acoplados resistivamente o capacitivamente a la piel (De Luca, 2006).

Los electrodos superficiales también pueden ser clasificados como electrodos

secos y electrodos gelificados. Los electrodos secos se utilizan en aplicaciones en

las que la geometría o el tamaño de los electrodos no permite gel; es común que

este tipo de electrodos posean una pre amplificación integrada debido a la alta

impedancia en la unión electrodo - piel (Day, 2002). Electrodos gelificados utilizan

un gel electrolito como una interface mecánica entre la piel y el elemento metálico

del electrodo (Day, 2002).

Una interface electrodo - electrolito (Véase Figura 2.15), se forma al añadir al

conjunto electrodo - piel un gel conductor que absorbe el estrato mucoso y hace

contacto con la dermis con lo cual se reduce la resistencia que presenta la piel.

FIGURA 2.13. Electrodo superficial

pasivo.

Fuente: (Bionic, 2011)

FIGURA 2.14. Electrodo superficial

activo.

22

Cuando el metal entra en contacto con el gel electrolito, primero el metal atrae a

los iones a partir del gel electrolito y luego existe una tendencia a que este metal

descargue iones en el gel electrolito, dejando atrás un exceso de electrones libres

en el metal; juntas estas dos interacciones químicas producen una capa bipolar

de carga en la interface electrodo - electrolito que se comporta al igual que un

condensador (Kamen & Gabriel, 2010) (Cooper, 1963).

FIGURA 2.15. Interface electrodo - electrolito

(a) Dimensiones típicas de un electrodo superficial circular

(b) interface electrodo- piel


Esta capa bipolar apreciable en la Figura 2.15, es la fuente de impedancia en la

entrada de la señal EMG del músculo hacia el electrodo; la piel, gel y las interfaces

de electrodos presentan un sistema físico complejo que afectan a la señal de EMG

en distintas formas.

Los electrodos de plata - cloruro de plata (Ag - AgCl) son utilizados en un 80%

para aplicaciones de SEMG (Duchêne & Goubel, 1992); la utilización de una capa

de cloruro de plata permite que la corriente del músculo fluya libremente a través

de la unión electrodo - electrolito (Day, 2002).

2.7.2. ELECTRODOS INVASIVOS (DE AGUJA O ALAMBRE)

La electromiografía invasiva se utiliza principalmente en aplicaciones de uso

específico en las cuales se analiza el comportamiento de cierta unidad motora; la

23

colocación de electrodos invasivos requiere de personal médico calificado es por

ello que esta técnica se utiliza para fines médicos y; existen dos clases de

electrodos invasivos, estos son: electrodos de aguja y electrodos de alambre. Al

utilizar los electrodos de aguja se toman los datos con una distancia entre

electrodos mínima (50 [µm] - 200 [µm]), por lo que este tipo de electrodos son

ideales para detectar potenciales de acción de un limitado volumen de tejido

(Andreassen & Rosenfalck, 1978); de similar forma los electrodos de alambre son

utilizados en estudios de kinesiología ya que son extremadamente finos, fáciles de

implantar y de retirar de los músculos esqueléticos, por lo general son menos

dolorosos de aplicar que los electrodos de aguja (De Luca, 2006).

2.8. RECOMENDACIONES PARA ELECTRODOS SUPERFICIALES BIPOLARES DE ELECTROMIOGRAFÍA

El proyecto SENIAM (Surface Electromyography for the Non - Invasive

Assessment of Muscles) se crea con el objetivo de ayudar a resolver problemas

inherentes al uso de la electromiografía superficial en base a la integración de

investigaciones científicas a nivel Europeo (Hermens & Freriks, 1996). A

continuación se presentan las recomendaciones a tomar en cuenta en el desarrollo

de sistemas electromiográficos:

La forma del electrodo está definida como la forma del área conductiva siendo los

más utilizados los de forma rectangular, circular y oval. La impedancia de los

electrodos debe ser la misma para que no exista influencia en la medición de la

señal. Los electrodos disponibles comercialmente muestran que los más utilizados

son los electrodos circulares de 10 [mm] de diámetro.

El tamaño del electrodo se define como el tamaño del área conductiva en el

electrodo, el tamaño generalmente está definido desde 1 [mm2] hasta algunos

[cm2] e influye directamente en la señal adquirida; se recomienda que el tamaño

del electrodo en dirección de las fibras musculares sea de máximo 10 [mm].

La distancia entre electrodos se define como la distancia entre centros de las áreas

conductivas de los dos electrodos bipolares e influye en el área de exploración y

en la señal de músculos cercanos a la misma. Las recomendaciones dadas por el

24

SENIAM establecen una distancia de 20 [mm] y en el caso de trabajar con

músculos pequeños esta distancia no debe exceder un cuarto de la longitud de la

fibra muscular.

Según (Hermens & Freriks, 1996) para estudios de músculos superficiales los

electrodos electromiográficos superficiales de plata / cloruro de plata pre

gelificados son los más usados y recomendados, básicamente por su fácil y rápido

manejo, trasmisión estable con bajo nivel de ruido, aspectos de limpieza e higiene

no son considerados ya que son electrodos desechables.

2.9. CONSIDERACIONES PARA SELECCIONAR EL ELECTRODO ADECUADO

La selección del electrodo específico a utilizar depende de la aplicación a la cual

se destina y al uso conveniente que presente el mismo para la aplicación. A

continuación se presenta la Tabla 2.4, que contiene las principales características

y aplicaciones para cada tipo de electrodo.

Consideraciones para seleccionar el electrodo adecuado

Electrodos Superficiales Electrodos de aguja Electrodos de alambre

Tiempo de la fuerza reacción

de las señales EMG.

Estudios de kinesiología de

los músculos superficiales.

Los estudios

neurofisiológicos de los

músculos superficiales.

Estudios psicofisiológicos.

Características de las

MUAP.

Propiedades de los

controles de las unidades

motoras (tasa de disparos,

caracterización, etc.).

Electromiografía clínica

exploratoria.

Estudios de kinesiología de

músculos profundos.

Los estudios

neurofisiológicos de los

músculos profundos.

Estudios limitados de

propiedades de la unidad

motora.

Procedimiento de registro

cómodo de los músculos

profundos.

TABLA 2.4. Consideraciones para seleccionar el electrodo adecuado.

Fuente: (De Luca, 2006)

Para estudios de kinesiología de músculos profundos los electrodos de alambre

delgado y flexible son los preferidos, todos estos estudios representan

25

aplicaciones específicas y estudios mucho más precisos sobre la actividad

eléctrica muscular.

Para casos específicos de electromiografía superficial el proyecto SENIAM

recomienda seleccionar los electrodos de acuerdo a su forma, tamaño, distancia

entre electrodos y material; cada una de estas características varía de acuerdo a

la aplicación destinada, de ahí que son factores a tener en cuenta en la selección.

2.10. PREPARACIÓN DE LA PIEL

El proyecto SENIAM recomienda afeitar la superficie de la piel del paciente, limpiar

la piel con alcohol y permitir que el alcohol se evapore para que la piel esté seca

para colocar el electrodo (Hermens & Freriks, 1996).

Para la limpieza de la piel se recomienda el uso de pastas especiales conductivas

y abrasivas que eliminan las células muertas de la piel (que producen alta

impedancia) y limpian la suciedad y el sudor. Se puede utilizar papel de lija muy

fina aplicando una presión suave de 3 o 4 barridos combinado con algodón

empapado de alcohol para la limpieza. Finalmente si no se dispone de los

materiales antes mencionados el uso de alcohol para la limpieza puede ser

suficiente (Konrad, 2005).

2.11. DETERMINACIÓN DE LA LOCALIZACIÓN DE LOS ELECTRODOS

La ubicación del sensor está definida como la posición del centro de los dos

electrodos bipolares en el músculo; los electrodos deben ser colocados de manera

que se obtenga una estable y clara señal bioeléctrica. El proyecto SENIAM

recomienda la ubicación de los electrodos en 30 músculos individuales. Las

recomendaciones para la ubicación de los electrodos varían de acuerdo a la

disposición de los electrodos con respecto al eje largo del músculo.

Longitudinal: se recomienda colocar los electrodos bipolares en la mitad de la

zona de la placa motora distal (aproximadamente la línea media del músculo) y el

tendón distal con el objetivo de evitar que el electrodo cubra toda la zona de

inervación o tendón durante el movimiento.

26

Transversal: se recomienda colocar los electrodos bipolares en el músculo de tal

manera que cada electrodo este fuera del área de exploración del músculo de

interés; esto significa que la línea entre los centros de los electrodos es más o

menos paralelo al eje largo del músculo (Hermens & Freriks, 1996).

Cabe destacar que para la óptima colocación de los electrodos es fundamental

conocer la estructura muscular de acuerdo a la dirección de las fibras musculares

ya que, los electrodos deben estar alineados con las fibras musculares y en

algunos casos la disposición de estas fibras no siempre es regular lo cual dificulta

la colocación de los electrodos y por ende se obtiene ligeras distorsiones en la

señal EMG (Nishihara, et al., 2008) que tienen incidencia especialmente en la

frecuencia media y la velocidad de conducción estimada (Roy, et al., 1986).

2.12. CONSIDERACIONES PARA LA ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL ELECTROMIOGRÁFICA

Un dispositivo electrónico de este tipo debe contar con ciertas características

fundamentales que permiten asegurar la señal adquirida como la señal original

generada por el músculo en estudio; el diagrama de bloques presentado en la

Figura 2.16, muestra las etapas o fases necesarias para garantizar este resultado.

FIGURA 2.16. Diagrama de bloques con las principales etapas en el procedimiento de

adquisición de la señal.

Fuente: (De Luca, 2006)

El potencial eléctrico de la actividad eléctrica muscular en la superficie del músculo

es adquirido mediante la colocación de electrodos superficiales con respecto a una

señal en el electrodo de referencia, que suele estar ubicado en un punto en el cual

27

la actividad eléctrica es prácticamente nula o un punto que posee señales que no

están relacionadas con las señales detectadas.

El tejido muscular presenta una impedancia interna (característica de filtrado) a la

propagación de corrientes eléctricas; esta impedancia es dependiente de la

frecuencia y de la distancia entre las fuentes de la señal EMG y la superficie de

detección de los electrodos (Basmajian & De Luca, 1985). A medida que esta señal

se propaga a través de los tejidos decrece en función de la distancia

aproximadamente en un 25% dentro de los 100 [µm]. El tejido muscular actúa

como un filtro paso bajo cuyo ancho de banda y ganancia disminuye a medida que

aumenta la distancia. (De Luca, 2006).

La interface electrodo - electrolito posee una impedancia que actúa como

resistencias y capacitancias dependiente de la frecuencia; la mayoría de

electrodos utilizados en EMG son considerados como filtros pasa altas cuyas

características varían de acuerdo al tipo de electrodo y de acuerdo a las

características de la unión electrodo - electrolito (Basmajian & De Luca, 1985). La

ganancia y el ancho de banda de este filtro son función de la superficie de

detección y de la alteración electromecánica de la unión electrodo - electrolito (De

Luca, 2006).

La utilización de electrodos bipolares y un amplificador diferencial actúa de la

misma manera que un filtro pasa bandas; esta afirmación se cumple siempre y

cuando las entradas en el amplificador diferencial son balanceadas y los aspectos

de filtrado de la unión electrodo - electrolito son equivalentes (De Luca, 2006).

Las señales de ruido AC con frecuencia de 50 [Hz] - 60 [Hz] provenientes de

señales electromagnéticas que irradian cables de alimentación, tomacorrientes,

dispositivos eléctricos y señales de ruido DC como los potenciales de polarización

en la unión metal-electrolito son detectadas por ambas superficies y tienen

amplitud similar por lo tanto son restadas pero no eliminadas por completo; la

capacidad de un amplificador diferencial para eliminar la señal de modo común se

conoce como la relación de rechazo de modo común (CMRR). En la realidad esto

no se cumple debido a que, primero, los amplificadores no realizan esta resta

28

exactamente y segundo, las señales de ruido en las dos entradas del amplificador

no siempre están en modo común debido a la característica anisotrópica del tejido

muscular (Basmajian & De Luca, 1985).

En SEMG, una vez que la energía del músculo llega a la piel, es detectada por los

electrodos; la impedancia de la piel se describe como una resistencia de DC que

varía en función, por ejemplo: de la humedad de la piel, capa de células muertas,

etc. Comúnmente es utilizado algún tipo de medio electrolítico para proporcionar

un cojín entre la superficie del electrodo y la superficie de la piel.

En SEMG es importante mantener la impedancia de la piel en la zona de

colocación de los electrodos lo más bajo posible y equilibrado para los dos

electrodos de registro (configuración bipolar). Para propósitos de investigación, la

impedancia en el sitio del electrodo debe ser inferior a 5000 [Ω] a 10000 [Ω]

(Criswell, 2010).

La característica de impedancia de entrada de un preamplificador diferencial para

medición de señales de SEMG es de suma importancia; la impedancia de entrada

absorbe esencialmente la energía muscular que se ha alcanzado en la interface

piel - electrodo, proporcionando así una base para amplificar la pequeña señal.

Por lo tanto, un amplificador de SEMG debe ser de 10 a 100 veces mayor que la

impedancia en la interface electrodo - piel. Como regla general cuanto mayor es

la impedancia de entrada en el preamplificador SEMG, mejor; una impedancia de

entrada más alta permitirá un sistema más robusto en cuanto a una mala conexión

entre la piel y el electrodo (Criswell, 2010).

La corriente de polarización es la corriente constante mínima requerida para

mantener al amplificador activo; dado que el amplificador diferencial real no posee

característica ideales, este amplificador tiene impedancia finita en cada entrada y

posee una corriente de polarización distinta a cero por lo tanto, es lógico pensar

que una corriente inferior a la corriente de polarización no será amplificada

(Basmajian & De Luca, 1985).

29

Las entradas de la primera etapa de amplificación deben ser lo más corto posible

y no deben ser susceptibles a movimiento (menos de 10 cm del electrodo) (De

Luca, 2006).

Las especificaciones típicas de un amplificador operacional utilizado en EMG se

muestran a continuación en la Tabla 2.5.

Especificaciones mínimas recomendadas para un amplificador de SEMG

Característica Especificaciones mínimas recomendadas

Impedancia de entrada >1010 [Ω] a DC >108 [Ω] a 100 [Hz]

Ganancia del amplificador 200-100000 ± 10% en incrementos discretos

CMRR > 90 [dB] medidos a 60 [Hz]

Repuesta en frecuencia 1 [Hz] - 3000 [Hz] medido a -3 [dB]

Corriente de polarización < 50 [nA]

Aislamiento ≤ [µA] corriente de fuga entre el paciente y tierra

Ruido < 5 [µV] RMS

TABLA 2.5. Especificaciones mínimas recomendadas para un amplificador de SEMG.


2.13. TOBILLO

La articulación distal del miembro inferior (tobillo o tibiotarsiana) es una troclea, es

decir posee un solo grado de libertad que condiciona los movimientos de la pierna

en relación al pie en el plano sagital (plano con orientación vertical que divide al

cuerpo en zonas derecha e izquierda) la cual es indispensable para la marcha,

tanto en terreno llano como en terreno accidentado (Kapandji, 2002).

2.13.1. MOVIMIENTOS EN EL TOBILLO

De forma general estos movimientos se agrupan en cuatro grupos: deslizamiento,

movimientos angulares, rotación y movimientos especiales (Tortora & Derrickson,

2007). El tobillo al ser una articulación con un solo grado de movimiento permite

solamente dos movimientos: la Dorsiflexión y la flexión plantar (Kapandji, 2002).

Para analizar los movimientos que se efectúan en el tobillo se establece como

posición de referencia a la posición en la cual la planta del pie es perpendicular al

30

eje de la pierna como se aprecia en la Figura 2.17a. A partir de la posición de

referencia, el movimiento que aproxima el dorso del pie a la cara anterior de la

pierna apreciable en la Figura 2.17b se denomina flexión dorsal o dorsiflexión;

mientras que el movimiento que aleja el dorso del pie de la cara anterior de la

pierna mientras el pie tiende a situarse en la prolongación de la pierna apreciable

en la Figura 2.17c se denomina flexión plantar.

FIGURA 2.17. Movimientos en el tobillo.

Fuente: (Kapandji, 2002)

La Tabla 2.6 presenta los rangos de movimiento del tobillo en base a la valoración

del ángulo entre la planta del pie y el eje de la pierna.

Movimientos angulares máximos y mínimos para el tobillo

Movimiento Especificación Rango

Dorsiflexión Ángulo agudo (Véase Figura) 20° a 30°

Flexión plantar Ángulo obtuso (Véase Figura) 30° a 50°

TABLA 2.6. Movimientos angulares máximos y mínimos para el tobillo.


FIGURA 2.18. Rangos angulares de movimiento en el tobillo.


31

Para llegar a los movimientos extremos (Véase Figura 2.18), no solo interviene la

tibiotarsiana (tobillo) sino también las articulaciones del tarso; estas articulaciones

permiten realizar los movimientos de inversión y eversión que generalmente son

erróneamente considerados como movimientos producidos por la articulación del

tobillo.

2.14. AMPUTACIÓN TRANSTIBIAL

El nivel de una amputación generalmente es nombrado por el hueso o articulación

importante a través de la cual se realiza la amputación y generalmente puede

realizarse como una desarticulación de la articulación o como un corte de sección

a través de un hueso largo.

La amputación que se realiza por debajo de la rodilla se conoce como “amputación

transtibial” y, dependiendo de la sección cortada del hueso se especifica como:

corta, estándar o larga. En esta amputación se conserva la articulación de la rodilla

que representa un mecanismo útil tanto para la movilidad como para apoyo;

acciones como subir y bajar de escaleras, caminar cuestas, impulso, entre otras

son posibles gracias al uso de prótesis conjuntamente con esta articulación.

Las prótesis utilizadas en personas con discapacidad transtibial van desde

prótesis de apoyo que funcionan como una bisagra oscilante reguladas por bandas

de goma o muelles hasta prótesis eléctricas, hidráulicas o neumáticas controladas

por una señal electromiográfica a través de microprocesadores (Millee, 2012)

(Organización Mundial de la Salud, 1954).

2.15. BIOMECATRÓNICA

La Mecatrónica definida por el comité IRDAC (Former Industrial R&D Advisory

Committee of the European Commission) como “Una combinación sinérgica de la

ingeniería de precisión, control electrónico y sistemas de pensamiento en el diseño

de productos y la fabricación procesos” o la definición dada por Buur: “Mecatrónica

es una tecnología que combina la mecánica con la electrónica y tecnología de la

información para formar tanto la interacción funcional y la integración espacial en

componentes, módulos, productos y sistemas” (Buur, 1990) (IRDAC, 1986).

32

En base a estas y otras definiciones es posible plantear las ventajas que tiene el

diseño de procesos y sistemas de este tipo en relación a otros; su versatilidad,

flexibilidad, rendimiento y calidad permiten la optimización de todo un sistema y,

actualmente su aplicación en el desarrollo de sistemas que tienen como objetivo

el ayudar a personas mayores y discapacitadas abre un nuevo campo de

aplicación conocido como la “Biomecatrónica”.

2.16. INSTRUMENTACIÓN

Un amplificador operacional (AO) es un circuito integrado que amplifica la

diferencia entre dos entradas y produce una única salida. El amplificador

operacional es frecuente en la electrónica analógica (Floyd, 2012)

Los terminales básicos e indispensables con los que cuenta un amplificador

operacional se muestran en la Figura 2.19, estos son: la entrada no inversora V+,

la entrada inversora V-, alimentación positiva Vs+, alimentación negativa Vs- y la

salida Vo.

FIGURA 2.19. Terminales básicos de un amplificador operacional.

El término “operacional” hace referencia a todas las operaciones que el circuito

puede llevar a cabo dependiendo de su configuración; entre estas operaciones se

encuentran: suma, resta, multiplicación, división, derivación, integración, entre

otras.

2.16.1. AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA

Un amplificador operacional no inversor en su diseño más básico (Véase Figura

2.20) cuenta con dos resistencias R1 y R2 con la conexión mostrada, el término

33

inversor se utiliza debido a que la salida presentada en la Ecuación 2.1, tiene como

resultado el valor de la entrada con su mismo signo multiplicado por un factor de

ganancia expresado por la Ecuación 2.2 determinado por las resistencias R1 y R2.

FIGURA 2.20. Amplificador operacional no inversor básico.

𝑉𝑉𝑉𝑉 = 1 +𝑅𝑅2𝑅𝑅1 ∗ 𝑉𝑉𝑉𝑉 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.1. Voltaje de salida para un amplificador operacional no inversor.

Fuente: (Floyd, 2012)

𝐺𝐺 = 1 +𝑅𝑅2𝑅𝑅1

ECUACIÓN 2.2. Ganancia para un amplificador operacional no inversor.


Dónde: Vi: Voltaje de entrada

R1, R2: Resistencia 1, Resistencia 2

Vo: Voltaje de salida

2.16.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN INVERSORA

Un amplificador operacional inversor proporciona en el terminal de salida un

voltaje con signo contrario al del terminal de la entrada multiplicada por una

ganancia dependiente de los valores de las resistencias R1 y R2 en su

configuración básica. Las ecuaciones (Véase Ecuación 2.3 y la Ecuación 2.4),

conjuntamente con el circuito (Véase Figura 2.21) para esta configuración se

presentan a continuación.

34

FIGURA 2.21. Amplificador operacional inversor básico.

𝑉𝑉𝑉𝑉 = −𝑅𝑅2𝑅𝑅1 ∗ 𝑉𝑉𝑉𝑉 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.3. Voltaje de salida para un amplificador operacional inversor.


𝐺𝐺 = −𝑅𝑅2𝑅𝑅1

ECUACIÓN 2.4. Ganancia para un amplificador operacional inversor.



R1, R2: Resistencia 1, Resistencia 2


2.16.3. AMPLIFICADOR OPERACIONAL SUMADOR

En un amplificador operacional sumador cada entrada conectada a la entrada

inversora del amplificador a través de una resistencia es sumada en la salida del

mismo como se puede apreciar en la figura (Véase Figura 2.22); al utilizar la

configuración inversora su salida poseerá el signo contrario al de la suma de las

entradas (fase invertida), la expresión matemática que rige su funcionamiento se

establece a continuación en la Ecuación 2.5.

𝑉𝑉𝑉𝑉 = −𝑅𝑅𝑅𝑅 𝑉𝑉1𝑅𝑅1

+𝑉𝑉2𝑅𝑅2

+⋯+𝑉𝑉𝑉𝑉𝑅𝑅𝑉𝑉 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.5. Voltaje de salida para un amplificador operacional sumador.


35

FIGURA 2.22. Amplificador operacional sumador básico.

Dónde: V1, V2, V3…Vn: Voltajes de entrada

R1, R2, R3…Rn: Resistencias

Rf: Resistencia de ganancia


2.16.4. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DIFERENCIAL

En esta configuración un amplificador operacional amplifica la diferencia entre las

dos señales en los terminales de entrada, en su configuración más básica (Véase

Figura 2.23), el diseño cuenta con cuatro resistencias. La ecuación del voltaje de

salida con respecto al voltaje de entrada de esta configuración se muestra en la

Ecuación 2.7 y la relación de las resistencias para esta configuración se muestra

en la Ecuación 2.6.

𝑅𝑅4𝑅𝑅3

=𝑅𝑅2𝑅𝑅1

ECUACIÓN 2.6. Relación entre las resistencias para un amplificador operacional diferencial.


𝑉𝑉𝑉𝑉 =𝑅𝑅2𝑅𝑅1

∗ (𝑉𝑉2 − 𝑉𝑉1) [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.7. Voltaje de salida para un amplificador operacional diferencial.


36

FIGURA 2.23. Amplificador operacional diferencial básico.

Dónde: V1: Voltaje en la entrada inversora

V2: Voltaje en la entrada no inversora

R1, R2, R3, R4: Resistencia 1, Resistencia 2, Resistencia 3, Resistencia 4


2.16.5. AMPLIFICADOR OPERACIONAL INTEGRADOR

En su diseño más básico un amplificador operacional integrador cuenta con un

condensador y una resistencia como se aprecia en la Figura 2.24; su configuración

es similar a la configuración inversora pero para este caso la salida es la integral

(área bajo la curva) de la entrada con fase invertida. La salida de un amplificador

operacional integrador se calcula en base a la ecuación (Véase Ecuación 2.8).

FIGURA 2.24. Amplificador operacional integrador básico.


Vc: Voltaje del condensador

C1: Condensador


37

𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉(𝑡𝑡𝑜𝑜) −1

𝑅𝑅1 ∗ 𝐶𝐶1 𝑉𝑉𝑉𝑉(𝑡𝑡′)𝑑𝑑𝑡𝑡′𝑡𝑡−𝑡𝑡𝑜𝑜

𝑜𝑜 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.8. Voltaje de salida para un amplificador operacional integrador.


2.16.6. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

En un rectificador de onda completa los valores de Vi menores de cero son

invertidos (componentes negativos de la señal) obteniendo como salida tanto

componentes positivos y negativos de la señal como positivos; o bien todo lo

contrario valores de Vi mayores de cero son invertidos (componentes positivos de

la señal) obteniendo como salida tanto componentes positivos y negativos de la

señal como negativos dependiendo de la señal que se necesite. Su uso es

frecuente para convertir una señal de voltaje de entrada alterno en uno de salida

continuo.

Se puede obtener un rectificador de media onda con salida positiva a partir de un

circuito rectificador de media onda de salida negativa añadiendo elementos a su

configuración junto a un amplificador sumador inversor como se muestra a

continuación en la Figura 2.25a.

FIGURA 2.25. Amplificador operacional como rectificador de onda completa.

(a) Circuito

(b) Gráfica de respuesta del circuito



R1…R6: Resistencias

D1, D2: Diodo 1, Diodo 2

38

Añadiendo un condensador como se muestra en el diagrama del circuito (Véase

Figura 2.25a) se obtiene una salida lineal.

La figura (Véase Figura 2.25b) representa la relación entre el voltaje de entrada y

el voltaje de salida; como se observa tanto para valores positivos y negativos de

Vi se tiene un voltaje de salida Vo positivo.

2.16.7. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTRUMENTACIÓN

Existen casos en los que se debe obtener una alta impedancia de entrada y

además una alta ganancia en un amplificador diferencial, para obtener estas

características se puede insertar un seguidor de voltaje entre la fuente y cada

entrada; sin embargo la desventaja de este diseño es que no se puede establecer

la ganancia del amplificador diferencial fácilmente (uso de varias resistencias). Un

amplificador de instrumentación soluciona esta desventaja y permite configurar la

ganancia del mismo utilizando una sola resistencia; un amplificador operacional

de este tipo cuenta con dos etapas: la etapa de entrada, conformada por dos

amplificadores no inversores y la entrada de amplificación conformada por un

amplificador diferencial dispuestos como se muestra a continuación en la Figura

2.26.

FIGURA 2.26. Amplificador operacional de instrumentación.

Dónde: Vi1: Voltaje de entrada 1

Vi2: Voltaje de entrada 2

Vo: Voltaje de salida final

R1…R4: Resistencias

Vo1: Voltaje de salida 1

Vo2: Voltaje de salida 2

39

El voltaje de salida puede ser calculado en base a la Ecuación 2.9 o en base

a la Ecuación 2.10.


∗ (𝑉𝑉𝑉𝑉2 − 𝑉𝑉𝑉𝑉1) [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.9. Cálculo 1 del voltaje de salida para un amplificador operacional de

instrumentación.



∗ 1 +2 ∗ 𝑅𝑅2𝑅𝑅1

∗ (𝑉𝑉𝑉𝑉2 − 𝑉𝑉𝑉𝑉1) [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 2.10. Cálculo 2 del voltaje de salida para un amplificador operacional de

instrumentación.


2.17. INSTRUMENTOS Y ELEMENTOS REQUERIDOS

A continuación se presenta una breve reseña con los datos y características

relevantes de todos los elementos externos utilizados para la verificación y

visualización del funcionamiento del sistema de adquisición y acondicionamiento

de señales electromiográficas.

2.17.1. NI MYRIO

La NI myRIO (Véase Figura 2.27) es un dispositivo de hardware embebido

multifuncional, portátil y accesible que permite diseñar sistemas de ingeniería

complejos y reales gracias a sus componentes internos, software de apoyo,

biblioteca de recursos y tutoriales aplicables en diversas áreas tales como:

mecatrónica, control, robótica, entre otros. (National Instruments, 2015).

40

FIGURA 2.27. Principales componentes del hardware embebido NI MyRIO.

Fuente: (National Instruments, 2015)

2.17.2. LABVIEW 2014

El software computacional LabVIEW 2014 integra todas las herramientas que

ingenieros y científicos necesitan para construir una amplia variedad de

aplicaciones en mucho menos tiempo; es un entorno de desarrollo ideal para la

innovación, descubrimiento y resultados acelerados principalmente gracias a su

integración total con hardware de NI (National Instruments, 2014).

LabVIEW 2014 utiliza un lenguaje de programación gráfica, pero además permite

integrar varios enfoques de programación (programación gráfica, escritura de

algoritmos con matemática textual, interacción con código ANSI C, .NET o usando

herramientas especializadas para modelado y simulación) para encontrar la mejor

solución al problema en cuestión (National Instruments, 2014).

2.17.3. OSCILOSCOPIO BK PRECISION 2534

Este osciloscopio (Véase Figura 2.28) combina gran rendimiento y bajo costo de

adquisición. Posee controles análogos conjuntamente con funciones de auto

medida con un enfoque de uso intuitivo. Funciones como la transformada rápida

de Fourier, filtrado digital, grabación de la forma de onda, barrido, zoom, entre

otras incluidas en el osciloscopio ofrecen poderosas herramientas para depurar

circuitos (BK Precision, 2011).

41

FIGURA 2.28. Principales componentes del osciloscopio digital BK Precision 2534.

Fuente: (BK Precision, 2008)

2.17.4. OSCILOSCOPIO VIRTUAL PARA NI MYRIO

El complemento desarrollado por “Choose Movement Consulting” permite

configurar al computador conjuntamente con la NI MyRio como un osciloscopio y

generador de funciones de 2 canales; para su funcionamiento requiere el software

LabVIEW, con software de myRIO instalado y hardware myRIO. Este osciloscopio

y generador de funciones cuenta con las siguientes características disponibles en

(National Instruments & Choose Movement Consulting, 2015)

2.17.5. TRANSFORMADA RÁPIDA DE FOURIER

La transformada de Fourier permite transformar una señal en el dominio de tiempo

al dominio de la frecuencia. La transformada rápida de Fourier es un algoritmo que

permite el cálculo aproximado a la transformada discreta de Fourier; esta

aproximación emplea como suposición que el número de muestras es múltiplo de

2 lo que permite aplicar ciertas condiciones de simetría que reducen el número de

operaciones matemáticas a realizar. Para una función expresada en una tabla de

datos (arreglo) por un conjunto de N (múltiplo de 2) pares de datos (tj, xj) en un

intervalo Δt desde t0=0 hasta tfinal=(N-1), la transformada rápida de Fourier obtiene

como resultado otro arreglo con la información de la amplitud y la fase del arreglo

de entrada, con cada elemento asociado a una frecuencia dentro del intervalo Δω.

Mediante la ecuación (Véase Ecuación 2.11) se determina la transformada rápida

42

de Fourier para una señal discreta (Mathworks, 2015) (Escuela de Ingeniería de

Eibar, 2015).

𝑋𝑋(𝑘𝑘) = 𝑥𝑥(𝑗𝑗) ∗𝑁𝑁

𝑗𝑗=1

𝑒𝑒−2𝜋𝜋𝜋𝜋𝑁𝑁 (𝑗𝑗−1)(𝑘𝑘−1)

ECUACIÓN 2.11. Ecuación para el cálculo de la transformada rápida de Fourier.

Fuente: (Mathworks, 2015)

2.17.6. MULTISIM 13.0 Y ULTIBOARD 13.0

Multisim 13.0 es un entorno de simulación estándar utilizado mundialmente por

estudiantes, investigadores, educadores e ingenieros en diversos campos de

aplicación, entre los que se encuentran: aplicaciones de análisis de

semiconductores, de bioinstrumentación, de energía y potencia, diseño de

circuitos de baja frecuencia, diseño de circuitos analógicos, diseño de circuitos

lógicos digitales, microcontroladores y FPGAs, electrónica de potencia, entre otras

(National Instruments - Multisim, 2015).

El software computacional Ultiboard 13.0 brinda un entorno visual e intuitivo para

la generación de prototipos de tarjetas de circuito impreso (PCB). Su integración

con Multisim permite a los diseñadores de circuitos minimizar el tiempo de

desarrollo realizando esquemáticos de circuitos, simulación SPICE y diseño de

PCB en el mismo entorno. Ultiboard complementa la simulación SPICE brindada

por Multisim, con el diseño de PCB y de enrutado obteniendo prototipos con la

mayor rapidez y precisión posible (National Instruments - Ultiboard, 2015).

CAPÍTULO III

3. METODOLÓGICA DE LA INVESTIGACIÓN

“La investigación científica es, en esencia, como cualquier tipo de investigación,

sólo que más rigurosa, organizada y se lleva a cabo cuidadosamente” (Sampieri,

et al., 2010). En este Capítulo se analiza detalladamente el conjunto de

procedimientos y métodos que conllevan al cumplimiento sistemático del conjunto

fases y actividades requeridas para estudiar el problema, cumplir los objetivos de

la investigación y plantear la solución; para lo cual, se enmarca a la investigación

dentro de una área y tipo de investigación con enfoque investigativo específico,

además se presenta el diseño de investigación propuesto para este tipo de

investigación con todas las actividades necesarias para la consecución de los

objetivos planteados que conllevan a la solución óptima.

3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN

La investigación actual se ubica dentro del tipo de investigación “aplicada”; ya que

tiene como objetivo principal la resolución de un problema con un enfoque

cualitativo con alcance exploratorio y diseño experimental.

El enfoque cualitativo de la investigación establece que a medida que se recoge

datos e información acerca del tema estudiado, surgen preguntas de la

investigación que ayudan a afinar la investigación, es decir, que a medida que se

avanza con la investigación, esta se redirige; por lo que a diferencia del enfoque

cuantitativo que se guía en un conjunto de procesos secuenciales y probatorios,

el enfoque cualitativo más bien sigue un proceso circular. En el enfoque cualitativo

no se sigue un proceso definido, la recolección de datos se realiza por métodos

no estandarizados y es posible regresar a etapas previas lo que brinda flexibilidad

al momento de desarrollar la investigación (Sampieri, et al., 2010). El alcance

exploratorio se aplica en la investigación ya que, en nuestro medio el tema es poco

estudiado, innovador y permite generar nuevos estudios e investigaciones.

44

3.2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN

A continuación se detalla este proceso investigativo subdividido en las etapas

llevadas a cabo para la consecución de los objetivos planteados.

Para el diseño y la construcción del sistema de adquisición y acondicionamiento

de las señales SEMG se siguió la consecución de varias etapas sin un orden

estricto de realización; sin embargo, antes de realizar estas actividades se debe

contar con bases que permiten desarrollar un sistema funcional en cuanto a su

aplicación se refiere. Es por esta razón que el proceso partió de la generación de

la idea de la UTN de realizar proyectos de investigación orientados a la sociedad,

enmarcado dentro de las políticas de estado, específicamente el objetivo 3 del

Plan Nacional del Buen Vivir (Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo,

2013) y el cambio de la matriz productiva del país (Vicepresidencia de la

República del Ecuador, 2013); aplicando estas políticas se propone el desarrollo

de prótesis robóticas mioeléctricas que permitan emular el funcionamiento de la

extremidad amputada para personas con cierto grado de discapacidad. Estudios

e investigaciones publicadas demuestran que, a nivel nacional un gran número de

personas se podrían beneficiar con este proyecto investigativo (Consejo Nacional

de Igualdad de Discapacidades, 2014) (Dávila , 2013) (Cevallos & Hidrobo, 2013).

Con el fin de afinar y estructurar esta idea se plantea un problema; el

planteamiento del problema (objetivos, justificación, alcance y limitaciones)

permite subdividir al macro proyecto en varios proyectos con enfoque específico.

Una de estas subdivisiones representa la investigación actual: “Sistema para la

adquisición y acondicionamiento de señales electromiográficas para el

accionamiento de un tobillo robótico”; las señales bioeléctricas y en especial las

señales eléctricas musculares (mioeléctricas) representan el más alto grado como

señal de control a utilizar dentro de un dispositivo mecatrónico para la

rehabilitación de miembros amputados (Pinwei, 2010) (Simmons & Welsh, 2013)

(Zhou, et al., 2006) (Miller, et al., 2008). El siguiente paso requerido es la

construcción del marco teórico para lo cual se obtiene, revisa, consulta, extrae y

recopila información relacionada a temas como la electromiografía, sistemas y

dispositivos electromiográficos, prótesis robóticas mioeléctricas, interfaces EMG,

electromiografía superficial, actividad eléctrica muscular, entre otros; información

45

adquirida principalmente de fuentes bibliográficas, publicaciones científicas y en

menor número de tesis desarrolladas. A continuación se detallan cada una de las

actividades realizadas para llegar a la solución del problema investigativo

propuesto:

Objetivo I: Seleccionar el tipo de electrodo que facilite la obtención de la actividad

eléctrica del músculo.

Actividad I: Para la selección del electrodo se consulta publicaciones científicas

actualizadas relacionadas a sistemas electromiográficos y a electrodos utilizados

en electrocardiogramas debido a su capacidad de adaptabilidad de uso en

aplicaciones electromiográficas, fuentes como la Revista de Electromiografía y

Kinesiología que contiene estudios con enfoque médico - clínico acerca de la EMG

además del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE) y la Editorial

Springer especialmente por publicaciones que contienen especificaciones

técnicas eléctricas y electrónicas en el uso de electrodos electromiográficos son

consultadas.

Actividad II: El uso de bibliografía es mínimo debido principalmente a su

antigüedad, sin embargo esta bibliografía posee datos válidos y útiles que,

conjuntamente con el marco teórico permiten establecer tablas comparativas entre

los principales tipos de electrodos utilizados en la EMG.

Actividad III: Una vez determinado el nivel de aplicación del electrodo (no invasivo)

se analizan los electrodos disponibles comercialmente a nivel mundial, para lo cual

se consultan páginas web de proveedores en la comercialización de dispositivos

y materiales médicos tales como: (SKINTACT®, 2004) (Ambu, 2015) (The

Electrode Store, 2015) (Bio-Medical, 2015) (Bionic, 2011) (Medico Electrodes

International Ltd, 2014) (TELIC GROUP, 2015) (Pulse Medical Limited, 2015).

Actividad IV: Se selecciona los cables utilizados en el sistema EMG, para esta

selección no se realiza comparativas entre cables utilizados en EMG debido a que

la mayoría de cables son utilizados en dispositivos médicos de alta calidad,

aplicaciones médicas específicas y de costo elevado. Por estas razones se utiliza

cables utilizados en el “Muscle Sensor v3” (Advancer Technologies, 2015).

46

Objetivo II: Diseñar el sistema para la obtención y acondicionamiento de las

señales eléctricas.

Actividad I: En base a la teoría, bibliografía y publicaciones revisadas se determina

las etapas constituyentes del sistema, cada una de ellas necesarias para

garantizar la calidad y validez de la señal eléctrica muscular adquirida.

Actividad II: Para la etapa de adquisición se compara y selecciona un amplificador

operacional de instrumentación; se consulta las hojas de datos ya que todos los

fabricantes recomiendan circuitos de protección para el paciente y de eliminación

de señales no deseadas para usos en electrocardiogramas (ECG) aplicables en

la electromiografía. En la adquisición inicial comprendida por los electrodos y un

amplificador de instrumentación se determina la ganancia que permite obtener una

salida óptima sin amplificación del ruido o señales no deseadas captadas por el

circuito. Posteriormente se determina la ganancia necesaria en una etapa de pre

amplificación antes del filtrado; esta amplificación, al ubicarse antes de efectuar

un filtrado a la señal no se debe amplificar demasiado de modo que no se

amplifique también el ruido.

Actividad III: Para la etapa del filtrado y demás circuitos se utiliza un amplificador

operacional de propósito general, seleccionando uno de todos los disponibles en

el mercado en base a criterios específicos, tales como características, costo,

disponibilidad, entre otros.

Actividad IV: En primera instancia se analizan las respuestas de todos los tipos de

filtros analógicos existentes (Diagramas de Bode); cabe destacar que en base a

las fuentes consultadas se comprueba que todos los sistemas electrónicos de

EMG utilizan filtros Butterworth; para esta selección se utiliza bibliografía reciente

sobre el diseño de filtros analógicos además de bibliografía escrita por los

principales fabricantes de circuitos integrados tales como: Texas instruments,

Analog Devices, ST Microelectronics, entre otros; además se analiza la respuesta

en frecuencia para filtros de hasta decimo orden con el fin de seleccionar el orden

adecuado del filtro a diseñar.

47

Actividad V: Con el tipo de respuesta y orden de los filtros a utilizar se diseña los

mismos en base a la frecuencia de corte requerida, utilizando fórmulas y

ecuaciones disponibles para el cálculo de dichos filtros; manuales disponibles de

los fabricantes de circuitos integrados de amplificadores operacionales son

utilizados (Jung, 2005) (Zumbahlen, 2011).

Actividad VI: En varios puntos específicos del sistema se requiere el uso de

amplificadores operacionales en configuración no inversora con una ganancia

determinada; para lo cual se diseña cada uno de ellos en base a la ecuación que

rige a este tipo de amplificadores.

Actividad VII: Para la rectificación de onda completa y alisado de la señal EMG se

utilizan publicaciones científicas relacionadas con el diseño de rectificadores de

onda completa de precisión disponibles en la red; la autoría de estas publicaciones

está relacionada principalmente a los fabricantes de elementos electrónicos

integrados (NXP Semiconductors, 2004) (Bode, 2008) (Ting, 2013) que realizan el

encapsulado de circuitos rectificadores.

Objetivo III: Seleccionar los componentes electrónicos existentes en el mercado.

Actividad I: La selección de componentes a utilizar en el sistema se basa en aplicar

criterios específicos que no necesariamente permiten seleccionar los mejores

componentes para este tipo de aplicaciones; es así que entre los criterios en los

que se basa esta selección se encuentran: la disponibilidad en el mercado nacional

y bajo costo. Con los elementos electrónicos que cumplan estas dos premisas, se

selecciona uno de estos comparando sus características en base a las hojas de

datos de cada elemento disponibles en la red.

Objetivo IV: Simular el esquema eléctrico y/o electrónico del sistema haciendo

uso de un programa computacional.

Actividad I: En la etapa de adquisición dentro de la cual se enmarca los circuitos

de protección y circuitos para el funcionamiento del amplificador de

instrumentación son simulados conjuntamente, utilizando una señal EMG

simulada en base a una tabla de datos cortesía del Departamento de Neurología

48

de la Escuela de Medicina de Harvard (PhysioNet, 2011), se verifica el

funcionamiento de esta etapa observando y analizando la señal de salida. Para la

simulación de todos los circuitos de la etapa de adquisición se selecciona el

software computacional de National instruments: Multisim 13.0 en su versión

Power Pro Edition (National Instruments - Multisim, 2015).

Actividad II: Diseñados los circuitos de filtros con el tipo de respuesta y orden

seleccionados, se verifica el funcionamiento de todos estos circuitos a través del

software computacional Multisim 13.0; utilizando una señal de entrada senoidal a

frecuencia variable dada por un generador de funciones y observada en un

osciloscopio (filtros de tipo pasa bajas, pasa bajas y rechaza bandas se incluyen

en esta etapa).

Actividad III: Para la simulación de los amplificadores operacionales en

configuración no inversora se observa la señal de entrada y la señal de salida en

una misma gráfica dada por un osciloscopio virtual de Multisim 13.0, en base a

una señal de entrada senoidal dada por un generador de funciones. Analizando

esta gráfica se verifica la ganancia establecida para cada circuito.

Actividad IV: La etapa de rectificación de la señal es simulada (rectificación de

onda completa, alisado inversor de la señal rectificada y la amplificación de la

señal en un rango establecido). La gráfica brindada por el osciloscopio virtual de

Multisim 13.0 permite verificar y observar el funcionamiento de los circuitos que

constituyen esta etapa.

Actividad V: Finalmente se simula todos los circuitos que constituyen las etapas

de adquisición y acondicionamiento de la señal. El uso de fuentes virtuales

proporcionadas por Multisim 13.0 permite generar las interferencias que afectan a

este tipo de sistemas una vez ya implementados; en base a estos componentes

se verifica el filtrado de la señal y en base a las gráficas de entrada (potencial

SEMG con interferencias) y salida (voltaje DC de salida) se verifica el

funcionamiento de los circuitos que amplifican, rectifican y alisan la señal.

49

Objetivo V: Construir el dispositivo electromiográfico.

Actividad I: Para la construcción de las tarjetas de circuitos impresos de todas las

etapas del sistema, se selecciona el software computacional de National

instruments: Ultiboard 13.0 en su versión Power Pro Edition; basándose en su

completa integración con el software de simulación SPICE (National Instruments -

Ultiboard, 2015).

Actividad II: Se selecciona las huellas para cada elemento electrónico utilizado en

el sistema basándose principalmente en sus dimensiones y especificaciones en

las hojas de datos del fabricante; para elementos inexistentes en Ultiboard se

selecciona elementos semejantes y se realiza una edición en sitio de la huella de

estos elementos adaptándolos a los elementos reales a utilizar.

Actividad III: Se genera el auto ruteo de todos los elementos requeridos por los

circuitos para su funcionamiento. Factores como el espacio entre rutas, grosor,

espacio con el plano de potencia, capas utilizadas, holguras, islas a remover

deben ser tomados en cuenta.

Actividad IV: Se construye las placas utilizando placas de cobre y las impresiones

de los circuitos impresos generados en Ultiboard 13.0, se realiza las perforaciones

en los puntos específicos de los terminales de cada componente y se suelda cada

componente en su sitio.

Objetivo VI: Probar el dispositivo en un paciente sano.

Actividad I: Se realiza un análisis general de los principales métodos utilizados

para el registro y análisis de señales EMG, la revisión de publicaciones científicas

es esencial para determinar el método o procedimiento a utilizar, algunas de estas

publicaciones consultadas son: (Thexton, 1996) (Bonato, et al., 1998) (Xu & Adler,

2004) (Reaz, et al., 2006) (Laterza & Olmo, 1997) (Kumar, et al., 2003) (Martin &

Flandrin, 1985) (Cheron, et al., 1996) (Chan, et al., 2000) (Yana, et al., 1995)

(Fang, et al., 1997).

Actividad II: Antes de probar el sistema construido, se selecciona los músculos

para la toma de datos, para lo cual se utiliza el fundamento teórico consultado,

50

principalmente teniendo en cuenta recomendaciones brindadas por (Hermens &

Freriks, 1996); analizando los músculos que intervienen en el movimiento del

tobillo y estableciendo criterios para esta selección.

Actividad III: Se define el procedimiento para realizar el registro de datos, para lo

cual se subdivide a este procedimiento de forma general en tres etapas: una etapa

inicial (preparación de la piel, ubicación y colocación de electrodos), una etapa de

registro (Test clínico para medir la contracción máxima voluntaria de cada

músculo) y una etapa de procesado (Funciones implementadas en los elementos

de software y hardware utilizados).

Actividad IV: Se presenta y discierne los resultados de forma gráfica y textual en

base a tablas con las principales características de la forma de onda obtenida en

cada registro, además se compara los registros del sistema diseñado con los

registros del Muscle sensor V3 (Sparkfun, 2015).

Finalmente, la Figura 3.1 presenta el diagrama de bloques con las etapas

constituyentes del sistema de adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas superficiales de un solo canal.

FIGURA 3.1. Diagrama de bloques del Sistema de adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas.

La figura (Véase Figura 3.2) presenta la representación gráfica de cada una de las

actividades requeridas para el cumplimiento de los objetivos planteados en la

investigación.

51

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CAPÍTULO IV

4. DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN

Este Capítulo detalla el proceso de selección de todos los elementos externos y el

proceso de diseño de los circuitos de protección y funcionamiento requeridos para

la adquisición y acondicionamiento de una señal electromiográfica superficial; con

el sistema totalmente diseñado se realiza la simulación del sistema mediante un

software especializado. Finalmente se construye la placa electrónica del sistema

con los circuitos ya diseñados y simulados.

4.1. DISEÑO DEL SISTEMA

El sistema adquisición y acondicionamiento de señales electromiográficas posee

las etapas que se muestran en la figura (Véase Figura 3.1). El sistema se subdivide

en dos etapas principales: la etapa de adquisición de la señal y la etapa de

acondicionamiento de la señal. Al adquirir señales de voltaje en el rango típico de

amplitud pico - pico está entre 0,01 [mV] a 5 [mV] y la frecuencia está entre 1 [Hz]

- 300 [Hz] (Véase Figura 2.10) (Soderberg, 1992), se debe realizar una elevada

amplificación de la señal; esta amplificación se realiza en varios puntos específicos

del circuito del sistema con ganancias específicas, todas estas ganancias se

multiplican obteniendo un coeficiente que representa la amplificación total de la

señal adquirida.

4.1.1. ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG

Esta etapa inicial está formada por tres sub etapas: electrodos, amplificador de

instrumentación y pre amplificación. Esta etapa es la encargada de captar la señal

EMG pura de baja calidad que proviene de los músculos de una persona y

amplificarlas; esta señal amplificada contiene mucha información innecesaria

proveniente de interferencias y ruido que ya se analizaron en el Capítulo II; sin

embargo esta señal captada es funcional y de ser necesario puede ser filtrada

(como es el caso del actual diseño). En esta etapa también se incorporan circuitos

de protección además de circuitos adicionales requeridos para el buen

funcionamiento del amplificador de instrumentación.

54

4.1.1.1. SELECCIÓN DEL ELECTRODO

Los electrodos representan el punto de partida para el diseño de un sistema de

adquisición y acondicionamiento de señales EMG ya que, en base a la selección

de un determinado tipo de electrodos se diseña las posteriores etapas de

amplificación y filtrado; para la selección de electrodos se analizan las

características de los principales tipos de electrodos utilizados en EMG. Una de

las características a tomar en cuenta es que los electrodos deben ser de fácil

montaje, que no requieran de supervisión médica y que no requieran de

conocimientos médicos específicos para su uso. La Tabla 4.1 muestra la

comparativa entre los principales tipos de electrodos utilizados en EMG.

Electrodos utilizados en electromiografía

Electrodos no invasivos (Superficiales) Electrodos invasivos

Se aplican directamente sobre la piel del

músculo.

Desechables

Bajo costo

Reutilizables

Utilizan una pasta o gel conductivo para

reducir la impedancia entre el electrodo y

la piel.

Mantienen su posición mediante una

espuma que posee una superficie

adhesiva.

El uso de una pasta o gel conductivo

mantiene al electrodo sin contacto directo

con la superficie de la piel evitando

desconexión por movimientos bruscos.

Proveen un medio conveniente y rápido de

sujeción.

No requieren de conocimientos médicos

para su colocación.

Se utilizan para estudiar la actividad de

todo el músculo superficial.

Se aplican en el tejido que se encuentra

inmediatamente debajo de la piel,

perforando la piel en un ángulo oblicuo.

Desechables.

Costo moderado.

Su reutilización requiere de esterilización.

Utilizan agujas, alambres y cánulas

similares a una aguja hipodérmica.

Es posible registrar señales de muy baja

amplitud y alta frecuencia.

Su aplicación requiere de personal médico

calificado.

Se utilizan en electromiografía clínica para

analizar defectos en unidades motoras

específicas.

Se utilizan en casos de problemas graves

en la piel, especialmente en pacientes

anestesiados.

TABLA 4.1. Electrodos utilizados en electromiografía.

55

En base a la tabla (Véase Tabla 4.1), considerando la característica de fácil

montaje, analizando investigaciones previas existentes (Lim, et al., 2006) (Drost,

et al., 2006) (Farina, et al., 2002) (Ruiz, et al., 2007) (Garcés, et al., 2001)

(Hewson, et al., 2001). En el sistema se utiliza electrodos no invasivos o de

electromiografía superficial, más específicamente se utilizan electrodos de Ag /

AgCl adhesivos y gelificados.

A nivel mundial existen proveedores y fabricantes que disponen de una amplia

variedad de equipos para el diagnóstico y monitoreo de señales bioeléctricas,

proveedores como: (SKINTACT®, 2004) (Ambu, 2015) (TELIC GROUP, 2015)

(Pulse Medical Limited, 2015) (Medico Electrodes International Ltd, 2014) (The

Electrode Store, 2015) (Bio-Medical, 2015), comercializan electrodos invasivos y

no invasivos utilizados en EMG y ECG tales como: electrodos para el diagnóstico

ECG de reposo, monitoreo a corto, mediano y largo plazo, de diagnóstico, de

desfibrilación, para ultrasonidos, entre otros. Todos estos productos disponibles

comercialmente requieren de importación, por lo cual se realiza una búsqueda a

nivel nacional concluyendo en el uso de electrodos no invasivos DORMO

disponibles en el país.

Los electrodos de Ag / AgCl varían principalmente en su diámetro y su uso en

aplicaciones específicas, por disponibilidad en nuestro medio, los electrodos de

plata / cloruro de plata utilizados son los electrodos DORMO SX - 30 ECG (Véase

Figura 4.1). Los electrodos SX - 30 están construidos para utilizarlos en

electrocardiogramas, sin embargo sus características son completamente

aplicables en la electromiografía superficial. Las características del electrodo SX -

30 consultadas en (Pulse Medical Limited, 2015) (TELIC GROUP, 2015) son:

• Ideal para Pediatría y Neonatos.

• Tamaño pequeño redondo 30 [mm].

• Señales estables de alta calidad.

• Ag/AgCl.

• Pre gelificado con gel sólido.

• Sujeción tipo corchete/botón.

56

FIGURA 4.1. Electrodo DORMO SX - 30 ECG utilizado.

Fuente: (TELIC GROUP, 2015)

4.1.1.2. SELECCIÓN DEL CABLE DE CONEXIÓN

Para la adquisición de la señal con un amplificador operacional de instrumentación

diferencial es necesario el uso de tres electrodos DORMO SX - 30: un electrodo

inversor, un electrodo no inversor conectados a los terminales del AO con las

mismas denominaciones además de un electrodo de referencia. Los cables

utilizados para la conexión entre los electrodos y el amplificador de

instrumentación son cables utilizados en el “Muscle Sensor v3” apreciables en la

Figura 4.2 (Sparkfun, 2015) cuyas características son:

• Conectores de 3,5 [mm] de audio.

• Terminal tipo corchete.

• Tres cables conductores de 60,96 [cm].

• Cables rojo – azul - negro.

FIGURA 4.2. Cable utilizado en el sistema EMG.

Fuente: (Advancer Technologies, 2015)

4.1.1.3. SELECCIÓN DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Para su uso en la SEMG un amplificador debe poseer ciertas características que

permiten la adquisición de la señal (Véase Tabla 2.5); la mayoría de amplificadores

de propósito general no poseen estas características a no ser que se realice un

circuito que implica la utilización de varios AO en configuraciones determinadas

que permiten la adquisición. Un amplificador de instrumentación gracias a su

57

configuración interna cuenta con todas estas características; con lo cual se

selecciona un AO que cumpla con las características mínimas recomendadas y

que además sea de fácil adquisición.

De acuerdo al estudio y revisión de investigaciones (Li, et al., 2010) (He, et al.,

2003) (Li, et al., 2009) (Urbina Rojas, et al., 2012) y tesis publicadas (Mozhanova,

2012) (Camacho & León, 2008) (Valencia Brito & Villa Parra, 2013) por mencionar

algunas, se determina que, de la amplia gama de amplificadores de

instrumentación existentes comercialmente, los amplificadores: INA128 y AD620

son los más utilizados en sistemas de adquisición y acondicionamiento de señales

eléctricas musculares.

Las características relevantes para un sistema EMG de los amplificadores de

instrumentación AD620 e INA128 se presentan en la Tabla 4.2.

Amplificadores de instrumentación utilizados en sistemas EMG

Característica AD620 (25°C, VS = ±15 [V], G=10)

INA128 (+25°C, VS = ±15 [V], G=10)

Impedancia de entrada 1010 || 2 [GΩ] || [pF] 1010 || 2 [GΩ] || [pF]

Ganancia del amplificador 1 - 10000 1 - 10000

Ganancia no lineal ±0,00001% ±0,0003%

Relación de rechazo de

modo común 93 [dB] 103 [dB]

Repuesta en frecuencia 1 - 800 [KHz] medido a -3 [dB]

1 - 700 [KHz] medido a -3

[dB]

Corriente de polarización 0,5 [nA] ± 2 [nA]

Ruido 0,55 [µV] p-p 0,2 [µV] p-p

TABLA 4.2. Tabla comparativa con las características relevantes para SEMG de los

amplificadores de instrumentación AD620 e INA128.

Fuentes: (Analog Devices, 2014) (Texas Instruments, 2005)

Comparando las características de los dos amplificadores operacionales se

concluye que no existe diferencia significativa en el funcionamiento de los dos

circuitos integrados, por lo cual puede ser utilizado cualquiera de los dos;

finalmente por disponibilidad y facilidad de adquisición se utiliza el amplificador de

instrumentación AD620.

58

El AD620 fabricado por Analog Devices es un amplificador de instrumentación de

bajo costo de alta precisión que requiere únicamente de una resistencia para

configurar su ganancia de 1 a 10000. Para su funcionamiento requiere de un

voltaje de alimentación dual de mínimo ±2,3 [V] y de máximo ±18 [V] además de

una baja corriente (suministro de corriente máximo de 1,3 [mA]). Es ideal para la

adquisición de datos de precisión ya que posee una alta precisión de 40 [ppm]

máxima de ganancia no lineal, bajo desplazamiento de tensión máximo de 50 [mV]

y la deriva del desplazamiento de 0,6 [μV/°C] max. Su alta relación de rechazo de

modo común, bajo nivel de ruido, baja corriente de polarización de entrada y baja

potencia permite su uso en aplicaciones médicas como ECG, EMG, monitores de

presión arterial no invasiva, etc. El AD620 funciona bien como pre amplificador

debido a su bajo ruido de voltaje de entrada de [9 nV/√Hz] a 1 [kHz] (Analog

Devices, 2014). El AD620 presentado en la Figura 4.3 cuenta con 8 terminales

dispuestos de la siguiente manera:

FIGURA 4.3. Terminales básicos del amplificador de instrumentación AD620.

Fuente: (Analog Devices, 2014)

Dónde: RG: Resistencia-ganancia

-Entrada: Entrada inversora

+Entrada: Entrada no inversora

-Vs: Alimentación voltaje negativo

+Vs: Alimentación voltaje positivo

Salida: Voltaje de salida

REF: Referencia

4.1.1.4. DISEÑO DE CIRCUITOS UTILIZADOS EN LA ETAPA DE ADQUISICIÓN DE LA SEÑAL EMG

Para el diseño de cada uno de los circuitos en la etapa de adquisición de la señal

electromiográfica se define los valores de ciertos componentes en base a los

cuales se calcula los demás componentes que cada circuito requiera.

59

La ganancia utilizada en el amplificador de instrumentación es de

aproximadamente 12; este valor de ganancia es determinado en base a pruebas

experimentales de funcionamiento ya que, para la adquisición de señales EMG se

analiza que para ganancias menores, el funcionamiento del amplificador de

instrumentación es mucho más estable que para ganancias mayores, por lo que

al utilizar una ganancia baja en este amplificador se requiere de una nueva

amplificación en la etapa de adquisición de la señal; además, al aplicar

amplificaciones por separado se tiene varios puntos de amplificación en caso de

que posteriormente se requiera ciertos cambios de amplificación en diversas

etapas del dispositivo. En base a la Ecuación 4.1 es posible determinar la

resistencia insertada entre los terminales 1 y 8 del AD620.

𝐺𝐺 =49,4𝑘𝑘Ω𝑅𝑅𝐺𝐺

+ 1

ECUACIÓN 4.1. Ganancia para el amplificador de instrumentación AD620.


Con 𝐺𝐺 = 12 𝑅𝑅𝐺𝐺 = 49,4𝑘𝑘Ω12−1

𝑅𝑅𝐺𝐺 = 4,491𝑘𝑘Ω 𝑅𝑅𝐺𝐺 ≅ 4,4 [𝑘𝑘Ω]

El circuito equivalente para el amplificador de instrumentación está compuesto por

tres amplificadores operacionales OP07D con la configuración mostrada en la

Figura 4.4; para determinar la función de transferencia de este circuito primero se

analiza la etapa preamplificadora y luego la etapa diferencial del circuito. Este

análisis permite determinar las ecuaciones, que rigen al funcionamiento del

amplificador operacional de instrumentación AD620.

FIGURA 4.4. Configuración interna del amplificador de instrumentación AD620.

60

Se determina VA y VB en función de V1 y V2, obteniendo la Ecuación 4.2 y la

Ecuación 4.3.

𝑉𝑉𝐴𝐴 = 𝑉𝑉1 𝑅𝑅𝐴𝐴𝑅𝑅𝐺𝐺

+ 1 −𝑅𝑅𝐴𝐴𝑅𝑅𝐺𝐺

𝑉𝑉2 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 4.2. Voltaje de pre amplificación VA en función de los voltajes de entrada V1 y V2 en

un amplificador de instrumentación.

𝑉𝑉𝐵𝐵 = 𝑉𝑉2 𝑅𝑅𝐵𝐵𝑅𝑅𝐺𝐺

+ 1 −𝑅𝑅𝐵𝐵𝑅𝑅𝐺𝐺

𝑉𝑉1 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 4.3. Voltaje de pre amplificación VB en función de los voltajes de entrada V1 y V2 en

un amplificador de instrumentación.

Para la etapa diferencial del circuito se establece la Ecuación 4.4:

𝑉𝑉𝑜𝑜 = −𝑅𝑅2𝑅𝑅1𝑉𝑉𝐴𝐴 + 1 +

𝑅𝑅2𝑅𝑅1

𝑅𝑅4𝑅𝑅3 + 𝑅𝑅4

𝑉𝑉𝐵𝐵 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 4.4. Voltaje de salida Vo en función de voltajes de pre amplificación VA y VB en un

amplificador de instrumentación.

Si se considera que 𝑅𝑅1 = 𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅3 = 𝑅𝑅4 la Ecuación 4.4 queda expresada como

Ecuación 4.5:

𝑉𝑉𝑜𝑜 = 𝑉𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝑉𝐴𝐴 [V] ECUACIÓN 4.5. Voltaje de salida Vo en función de voltajes de pre amplificación VA y VB

simplificado para valores de resistencias iguales en un amplificador de instrumentación.

La función de transferencia general equivalente para el amplificador de

instrumentación AD620 queda determinada por la Ecuación 4.6, reemplazando las

ecuaciones: Ecuación 4.2 y Ecuación 4.3 en la Ecuación 4.4.

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =2𝑅𝑅𝐴𝐴𝑅𝑅𝐺𝐺

+ 1

ECUACIÓN 4.6. Función de transferencia del amplificador de instrumentación AD620.

Para el caso específico de 𝑅𝑅𝐴𝐴 = 𝑅𝑅𝐵𝐵 = 24.7 [𝑘𝑘Ω] 𝑦𝑦 𝑅𝑅𝐺𝐺 = 4,4 [𝑘𝑘Ω]

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 49.4𝑘𝑘Ω4,4𝑘𝑘Ω

+ 1 𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 12

61

Para la adquisición de señales bioeléctricas se recomienda un circuito para

monitoreo médico de señales de electrocardiografía presentado en la Figura 4.5,

este circuito es adaptado para su uso en EMG. Este circuito brinda estabilidad al

sistema evitando corriente de desbalance y compensar problemas de ruido

atenuando los voltajes de modo común en la entrada diferencial del amplificador

de instrumentación, además de añadir una protección adecuada creando una

tierra activa aislada de la tierra eléctrica del circuito para proteger al paciente de

posible.

FIGURA 4.5. Circuito para monitoreo médico de ECG (driver de pierna derecha).


Todos los cambios realizados en el circuito de pierna derecha utilizado en ECG

para su aplicación en la EMG se presentan en la Figura 4.6. El valor del

condensador C1 es seleccionado para mantener la estabilidad del driver de pierna

derecha.

FIGURA 4.6. Circuito de pierna derecha utilizado en EMG.

62

Utilizando un amplificador operacional LM324N en configuración integradora

conectado entre el terminal de salida y el terminal de referencia del AD620 como

se aprecia en la Figura 4.7, se obtiene un acople AC con el cual se extrae la señal

de AC y a la vez se rechaza la señal DC y el ruido de modo común presente (Stitt,

1990) (Kitchin & Counts, 2006). Para el cálculo de los valores de R1 y C1 utilizados

en el circuito se utiliza la Ecuación 4.7 estableciendo una frecuencia de corte de

aproximadamente 10Hz.

𝑅𝑅−3𝑑𝑑𝐵𝐵 = 12𝜋𝜋𝐶𝐶1𝑅𝑅1

[𝐻𝐻𝐻𝐻]

ECUACIÓN 4.7. Cálculo para el circuito de acoplamiento AC.

Fuente: (Stitt, 1990) (Kitchin & Counts, 2006)

Con 𝐶𝐶1 = 100 [𝑉𝑉𝑛𝑛] y 𝑅𝑅−3𝑑𝑑𝐵𝐵 ≅ 7 [𝐻𝐻𝐻𝐻]

𝑅𝑅1 = 12𝜋𝜋𝐶𝐶1𝑓𝑓−3𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑅𝑅1 =1

2∗𝜋𝜋∗100∗10−9𝑛𝑛∗7𝐻𝐻𝐻𝐻 𝑅𝑅1 ≅ 220 [𝑘𝑘Ω]

FIGURA 4.7. Circuito de acoplamiento de AC.

En la etapa de adquisición de la señal se incluye además un circuito para eliminar

la interferencia causada por dispositivos que generan y transmiten radio

frecuencias RF. Todo amplificador de instrumentación rectifica en su salida una

pequeña banda de señales que generan un mínimo desplazamiento de voltaje DC

(Kitchin & Counts, 2006). Señales de altas frecuencias pueden ser filtradas con

una red pasa bajas RC colocada en las entradas del amplificador de

instrumentación (Véase Figura 4.8). Este filtro limita la salida de acuerdo a las

ecuaciones (Véase Ecuación 4.8 y Ecuación 4.9).

63

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷−3𝑑𝑑𝐵𝐵 =1

2𝜋𝜋𝑅𝑅(2𝐶𝐶2 + 𝐶𝐶1) [𝐻𝐻𝐻𝐻]

ECUACIÓN 4.8. Ancho de banda diferencial para un filtro RF.

Fuente: (Kitchin & Counts, 2006)

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶−3𝑑𝑑𝐵𝐵 =1

2𝜋𝜋𝑅𝑅𝐶𝐶1 [𝐻𝐻𝐻𝐻]

ECUACIÓN 4.9. Ancho de banda común para un filtro RF.

Fuente: (Kitchin & Counts, 2006)

Un filtro RF posee dos anchos de banda: el diferencial y el común. El ancho de

banda diferencial define la respuesta en frecuencia del filtro con una señal de

entrada diferencial aplicada entre las dos entradas del circuito mientras el ancho

de banda de modo común define que señal RF de modo común se presenta entre

las dos entradas y tierra. Para establecer los valores de los componentes primero

se establece el valor de las resistencias R1a y R1b, típicamente se utiliza valores

entre 2 [kΩ] y 10 [kΩ] (generando ruido de 8 [nV/√Hz] a 18 [nV/√Hz]); luego se

selecciona el valor apropiado para C2, utilizando valores lo más bajos posibles. El

ancho de banda diferencial adecuado usualmente es 10 veces la mayor frecuencia

de la señal. Finalmente se selecciona el valor del condensador C1a y C1b

(determinan el ancho de banda de modo común); para obtener un adecuado

CMRR de corriente alterna, este valor debe ser el 10% del valor de C2 o menos

(Kitchin & Counts, 2006).

Con 𝑅𝑅1𝑎𝑎 = 𝑅𝑅1𝑏𝑏 = 3,9 [𝑘𝑘Ω] 𝐵𝐵𝐵𝐵𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷−3𝑑𝑑𝐵𝐵 ≅ 400 [𝐻𝐻𝐻𝐻] 𝐶𝐶2 = 0,047 [𝜇𝜇𝑛𝑛]

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷−3𝑑𝑑𝐵𝐵 = 12𝜋𝜋𝑅𝑅(2𝐶𝐶2+𝐶𝐶1)

𝐶𝐶1 = 12𝜋𝜋𝑅𝑅∗𝑊𝑊𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷−3𝑑𝑑𝑑𝑑

− 2𝐶𝐶2

𝐶𝐶1 = 12𝜋𝜋∗3,9∗103Ω∗400Hz

− 2 ∗ 0,047 ∗ 10−6𝑛𝑛 𝐶𝐶1 ≅ 1000 [𝑝𝑝𝑛𝑛]

Con el valor del condensador C1 encontrado se calcula el valor del ancho de

banda de modo común del filtro RF:

Con 𝐶𝐶1 = 1000 [𝑝𝑝𝑛𝑛] y 𝑅𝑅1𝑎𝑎 = 𝑅𝑅1𝑏𝑏 = 3,9 [𝑘𝑘Ω]

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶−3𝑑𝑑𝐵𝐵 = 12𝜋𝜋𝑅𝑅𝐶𝐶1

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶−3𝑑𝑑𝐵𝐵 = 12𝜋𝜋∗3,9∗103Ω∗1000∗10−12𝐷𝐷

𝐵𝐵𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶−3𝑑𝑑𝐵𝐵 ≅ 40 [𝑘𝑘𝐻𝐻𝐻𝐻]

64

El ancho de banda de modo común debe ser siempre menor del 10% del ancho

de banda del amplificador de instrumentación con ganancia unitaria; para el

AD620 el ancho de banda con ganancia unitaria es de 1000 [kHz] de modo que se

cumple con esta condición obteniendo un ancho de banda de modo común de

aproximadamente el 4%. El filtro RF diseñado se presenta en la Figura 4.8.

FIGURA 4.8. Filtro atenuador de radio frecuencias.

En general, en su configuración los amplificadores operacionales principalmente

los monolíticos poseen terminales referenciados a uno o ambas fuentes de

alimentación que necesitan ser desacopladas con respecto al terminal de

referencia (Kitchin & Counts, 2006); por lo que se añade un condensador de

derivación conectado entre cada terminal de alimentación y la referencia del

circuito como se aprecia en la Figura 4.9.

FIGURA 4.9. Condensadores de derivación.

Para finalizar la etapa de adquisición, la señal de salida del AD620 es amplificada

utilizando un amplificador operacional LM324N en configuración no inversora con

una ganancia de aproximadamente 11 veces la señal de origen (Véase Figura

4.10).

65

Utilizando la ecuación (Véase Ecuación 2.1) con 𝐺𝐺 ≅ 11 y 𝑅𝑅1 = 1 [𝑘𝑘Ω]

𝑅𝑅2 = 𝐺𝐺𝑅𝑅1 − 𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 = 11 ∗ 1𝑘𝑘Ω − 1𝑘𝑘Ω 𝑅𝑅2 ≅ 10 [𝑘𝑘Ω]

En base a la la ecuación (Véase Ecuación 2.1), se establece la función de

transferencia del amplificador no inversor indicada en la Ecuación 4.10.

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 1 +𝑅𝑅2𝑅𝑅1

ECUACIÓN 4.10. Función de transferencia de un amplificador operacional no inversor.

Con 𝑅𝑅1 = 1 [𝑘𝑘Ω] y 𝑅𝑅2 = 10 [𝑘𝑘Ω]

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 11

FIGURA 4.10. Amplificador no inversor en la etapa de adquisición.

En el ANEXO III se presenta el diagrama esquemático de la etapa de adquisición

de la señal EMG conjuntamente con los circuitos de protección, acoplamiento AC

y atenuación de radio frecuencias.

4.1.2. ETAPA DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL EMG

Esta etapa de acondicionamiento de la señal se divide en dos partes principales:

el filtrado y la rectificación de la señal. Para el filtrado de la señal se diseña un filtro

pasa bajas, un filtro pasa altas y un filtro elimina bandas con los que se atenúa

señales fuera del rango típico de una señal electromiográfica superficial; una vez

filtrada la señal adquirida se rectifica y se suaviza obteniendo una señal DC

utilizable y proporcional a la contracción del músculo en estudio.

66

4.1.2.1. SELECCIÓN DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Con la señal electromiográfica adquirida y amplificada en la etapa de adquisición

es posible utilizar amplificadores operacionales de propósito general para la etapa

de filtrado y rectificación de la señal. Este tipo de amplificadores operacionales

poseen características aplicables a una amplia gama de circuitos; para su

selección se analiza dos de los amplificadores más utilizados y ampliamente

conocidos cuyas principales características se presentan en la Tabla 4.3.

Amplificadores operacionales de propósito general

Característica LM324N TL084

Voltaje de alimentación

Suministro único: +3 [V] a +30 [V]

Suministro dual: ±1,5 [V] a ±15 [V] ±18 [V]

Ancho de banda 1,3 [MHz] 3 [MHz]

Ganancia de voltaje 100 [dB] 120 [dB]

Corriente de alimentación 20 [nA] 30 [pA]

Desplazamiento de

voltaje de entrada 5 [mV] máximo 3 [mV] máximo

CMRR 80 [dB] 86 [dB]

TABLA 4.3. Principales características de los amplificadores de propósito general: LM324N y

TL084.

Fuentes: (Texas instruments, 1999) (Texas instruments, 2014)

En base a la revisión y comparación de todas las características de las hojas de

datos disponibles de estos dos amplificadores (Texas instruments, 1999) (Texas

instruments, 2014) se determina que el amplificador operacional TL084 presenta

mejores características que el LM324N sin embargo no existe una diferencia

sustancial determinante para la selección del TL084. Por su costo y disponibilidad

en el medio cercano se opta por utilizar el amplificador operacional LM324N.

El circuito integrado LM324N está compuesto por cuatro amplificadores

operacionales independientes de alta ganancia que requiere un suministro con

una única fuente de alimentación o una amplia gama de voltajes duales. Entre las

características importantes para su utilización en un sistema EMG están: ancho

de banda de 1,3 [MHz] suficiente para el rango de frecuencias de una señal EMG,

suministro de corriente por amplificador bajo de aproximadamente 375 [µA],

67

ganancia de voltaje de 100 [dB] y bajo ruido de voltaje de entrada de 40 [nV/√Hz]

a 1 [kHz] (ST Microelectronics, 2011). El circuito integrado LM324N cuenta con 14

terminales dispuestos como se aprecia en la Figura 4.11.

FIGURA 4.11. Terminales básicos del amplificador operacional LM324N.

Fuente: (ST Microelectronics, 2011)

Dónde: Vcc-: Alimentación voltaje negativo.

Vcc+: Alimentación voltaje positivo.

4.1.2.2. SELECCIÓN DEL TIPO RESPUESTA DE LOS FILTROS ANÁLOGOS

Existe una gran variedad de filtros análogos que pueden ser diseñados;

dependiendo del tipo de respuesta que brinda el filtro se encuentran

principalmente los filtros: Butterworth, Chebyshev y Bessel que cuentan con

características específicas en la forma de la curva de respuesta que permiten

diferenciarlos entre sí. La respuesta de cada tipo de filtro (pasa bajas, pasa altas,

pasa bandas, elimina bandas) se adapta en base a los valores y disposición de

los componentes del circuito. A continuación se determina el tipo de respuesta a

utilizar en el diseño del filtrado de la señal electromiográfica superficial.

Características de los filtros Butterworth: proporcionan una respuesta de

amplitud plana en la banda de paso con una tasa de caída de -20 [dB] / década /

polo. La respuesta de la fase no es lineal, sin embargo, el cambio de fase (por lo

tanto, tiempo de retardo) de las señales que pasan a través del filtro varían de

forma no lineal con la frecuencia (Véase Figura 4.13). Por lo tanto, un pulso

aplicado al filtro con respuesta Butterworth causará rebasamiento en la salida, ya

que cada componente de frecuencia del pulso de subida y bajada experimentará

68

un retardo de tiempo diferente. Filtros con respuesta Butterworth se utilizan

cuando todas las frecuencias en la banda de paso deben tener la misma ganancia

(Floyd, 2012). Un filtro Butterworth proporciona el máximo aplanamiento de banda

de paso; cuanto mayor es el orden del filtro, mayor es el aplanamiento de la banda

de paso como se aprecia en la Figura 4.12 (Carter, 2003).

FIGURA 4.12. Respuesta de amplitud de filtros Butterworth pasa bajas con una frecuencia de

corte de 500 [Hz].

FIGURA 4.13. Respuesta de fase de filtros Butterworth pasa bajas con una frecuencia de corte

de 500 [Hz].

Características de los filtros Chebyshev: Son utilizados cuando se requiere una

caída rápida mayor a -20 [dB] / década / polo. Esta tasa de caída es mayor que

la de los filtros Butterworth, por lo que filtros pueden ser implementados con

respuesta Chebyshev con menos polos y circuitos menos complejos para una tasa

de caída determinada. Este tipo de respuesta de filtro se caracteriza por un sobre

impulso u oscilaciones en la banda de paso (dependiendo del número de polos)

(Véase Figura 4.14) y una respuesta de fase menos lineal incluso que la de los

filtros Butterworth (Véase Figura 4.15) (Floyd, 2012).

69

Los filtros Chebyshev proporcionan una atenuación de ganancia por encima de la

frecuencia de corte, sin embargo, como muestra la Figura 4.14, la ganancia de

banda de paso no es monótona y contiene ondas de magnitud constante (Carter,

2003). Para un filtro de mayor orden, mayor son las ondas en la banda de paso y

mayor es la atenuación del filtro.

FIGURA 4.14. Respuesta de amplitud de filtros Chebyshev pasa bajas con una frecuencia de

corte de 500 [Hz].

FIGURA 4.15. Respuesta de fase de filtros Chebyshev pasa bajas con una frecuencia de corte

de 500 [Hz].

Características de los filtros Bessel: La respuesta Bessel exhibe una

característica de fase lineal (Véase Figura 4.17), lo que significa que el cambio de

fase aumenta linealmente con la frecuencia. El resultado de esta característica de

linealidad es que casi no se rebase en la salida con una entrada de impulsos

(Floyd, 2012). Sin embargo, la ganancia de banda de paso de un filtro Bessel no

es tan plana como la del filtro Butterworth y la transición de la banda de paso a la

banda de detención no es aguda como la de un filtro Chebyshev (Véase Figura

4.16) (Carter, 2003).

70

FIGURA 4.16. Respuesta de amplitud de filtros Bessel pasa bajas con una frecuencia de corte de

500 [Hz].

FIGURA 4.17. Respuesta de fase de filtros Bessel pasa bajas con una frecuencia de corte de 500

[Hz].

En la Figura 4.18 se representa la respuesta en frecuencia de filtros Butterworth,

Chebyshev y Bessel cada uno de 6° orden; en esta gráfica se aprecia la diferencia

que existe entre ellos, principalmente por las características de la onda en la

frecuencia de corte.

FIGURA 4.18. Comparativa de las respuestas de amplitud de filtros Butterworth, Chebyshev y

Bessel de 6° orden pasa bajas con una frecuencia de corte de 500 [Hz].

71

En base a las características y gráficas de las respuestas de los filtros análogos

se selecciona al filtro con respuesta Butterworth por su pendiente de caída plana

y cercana a la frecuencia de corte. Para el diseño de filtros de orden superior se

coloca en cascada los filtros de manera que su orden final estará determinado por

la suma del orden de cada uno de los filtros colocados en cascada. Por simplicidad

de diseño y número de elementos electrónicos necesarios para el diseño de un

filtro se utiliza la topología Sallen – Key (Carter, 2003); esta configuración es una

de las más utilizadas para filtros de segundo orden (dos polos).

El rango típico de frecuencia de una señal electromiográfica superficial está

mayoritariamente entre 1 [Hz] - 300 [Hz] (Soderberg, 1992), sin embargo, este

tipo de señales llegan a alcanzar una frecuencia de 500 [Hz] (Véase Figura 2.10 y

Figura 2.11); además señales captadas entre 1 [Hz] y 20 [Hz] se deben a factores

que afectan a la señal EMG como el tamaño y la orientación del electrodo,

interface electrodo - electrolito, ruido de ambiente, valores de DC, entre otros. Para

limitar la salida a frecuencias entre 20 [Hz] y 500 [Hz] se diseña un filtro pasa

bandas colocando en cascada un filtro pasa altas y un filtro pasa bajas de 6° orden

cada uno.

De manera general mientras mayor sea el orden del filtro mayor será está

pendiente de caída y por ende se atenúa señales fuera del rango de frecuencias

establecido; sin embargo el diseño de un filtro de orden superior a 10° orden

requiere de un elevado número de componentes y por ende de un gran espacio

en la tarjeta electrónica del sistema; además, en base a la experimentación previa

de funcionamiento de los circuitos de filtros de diversos orden, se establece un

valor medio en el orden de los filtros siendo este el de 6° orden.

Para el diseño de cada uno de los filtros en la etapa de filtrado de la señal

electromiográfica se define los valores de ciertos componentes en base a los

cuales se calcula los demás componentes que requiere cada filtro.

4.1.2.3. FILTRO PASA BAJAS DE SEXTO ORDEN

Un filtro pasa bajas es un circuito que atenúa todas las frecuencias mayores a la

frecuencia de corte especificada y deja pasar a todas las señales cuyas

72

frecuencias son menores a la frecuencia de corte especificada. Para el diseño del

filtro Butterworth pasa bajas de ganancia unitaria de segundo orden con una

frecuencia de corte de 500 [Hz] se utiliza la Ecuación 4.11; para llegar al sexto

orden requerido es necesario el uso de tres estaciones colocadas en cascada,

utilizando en las ecuaciones los coeficientes requeridos y establecidos (Véase

Ecuación 4.13 y Ecuación 4.14) para cada estación.

Para facilitar el diseño se selecciona una ganancia unitaria 𝐴𝐴0 = 1; además como

se observa en la figura, el pendiente de caída comienza a descender antes de

llegar a la frecuencia de corte por lo que se añade a la frecuencia de corte un valor

de 100 [Hz] para garantizar que las señales se atenúen a partir de la frecuencia

de corte establecida de 500 [Hz].

𝑅𝑅1,2 =𝑎𝑎1𝐶𝐶2 ∓ 𝑎𝑎12𝐶𝐶22 − 4𝑏𝑏1𝐶𝐶1𝐶𝐶2

4𝜋𝜋𝑅𝑅𝑐𝑐𝐶𝐶1𝐶𝐶2 [Ω]

ECUACIÓN 4.11. Cálculo de resistencias para un filtro pasa bajas.

Fuente: (Mancini & Carter, 2009)

Dónde: 𝑅𝑅𝑐𝑐 : Frecuencia de corte.

𝑎𝑎1, 𝑏𝑏1: Coeficientes del filtro.

𝑅𝑅1, 𝑅𝑅2 : Resistencia 1, Resistencia 2.

𝐶𝐶1,𝐶𝐶2 : Condensador 1, Condensador 2.

Para obtener valores reales en la raíz cuadrada de la ecuación, 𝐶𝐶2 debe cumplir la

condición establecida por la ecuación (Véase Ecuación 4.12).

𝐶𝐶2 ≥ 𝐶𝐶14𝑏𝑏1𝑎𝑎12

[𝑛𝑛]

ECUACIÓN 4.12. Condición para seleccionar el valor de los condensadores de un filtro pasa

bajas.


Los coeficientes 𝑎𝑎1 y 𝑏𝑏1 presentes en las ecuaciones son calculados en base a las

ecuaciones (Véase Ecuación 4.13 y Ecuación 4.14) o bien utilizando valores

establecidos en tablas disponibles en (Mancini & Carter, 2009) y en el ANEXO VI.

73

𝑎𝑎1 = 𝜔𝜔𝑐𝑐𝐶𝐶1(𝑅𝑅1 + 𝑅𝑅2)

ECUACIÓN 4.13. Coeficiente a1 para un filtro pasa bajas.

Fuente: (Carter, 2003)

𝑏𝑏1 = 𝜔𝜔𝑐𝑐2𝑅𝑅1𝑅𝑅2𝐶𝐶1𝐶𝐶2

ECUACIÓN 4.14. Coeficiente b1 para un filtro pasa bajas.


Donde: 𝜔𝜔𝑐𝑐 : es la frecuencia para la cual la amplitud de la señal de entrada se atenúa 3

[dB], esta frecuencia de corte es propia del filtro.

𝑎𝑎1, 𝑏𝑏1: son los coeficientes del filtro.

𝐴𝐴0 : es la ganancia de banda de paso.

El factor de calidad 𝑄𝑄 de un filtro pasa bajas se calcula mediante la Ecuación 4.15

(Jung, 2005).

𝑄𝑄 =1𝑎𝑎1

ECUACIÓN 4.15. Factor de calidad de un filtro pasa bajas y de un filtro pasa altas.

Fuente: (Jung, 2005)

El procedimiento a seguir para el diseño de la primera estación del filtro es el

siguiente:

Con 𝐶𝐶1 = 33 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝑎𝑎1 = 1,9319 𝑏𝑏1 = 1,0000 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 600 [𝐻𝐻𝐻𝐻]


𝐶𝐶2 ≥ 33 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00001,93192

𝐶𝐶2 ≥ 33 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00001,93192

𝐶𝐶2 ≥ 35,39 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝐶𝐶2 ≅ 35 [𝑉𝑉𝑛𝑛]

Con los valores de 𝐶𝐶1 y 𝐶𝐶2, los valores de 𝑅𝑅1 y 𝑅𝑅2 se calculan en base a la ecuación

(Véase Ecuación 4.11) de la siguiente manera:

𝑅𝑅1 = 1,9319∗35∗10−9𝐷𝐷−1,93192∗(35∗10−9𝐷𝐷)2−4∗1,0000∗33∗10−9𝐷𝐷∗35∗10−9𝐷𝐷4𝜋𝜋∗600𝐻𝐻𝐻𝐻∗33∗10−9𝐷𝐷∗35∗10−9𝐷𝐷

𝑅𝑅1 ≅ 7,8 [𝑘𝑘Ω]

𝑅𝑅2 = 1,9319∗35∗10−9𝐷𝐷+1,93192∗(35∗10−9𝐷𝐷)2−4∗1,0000∗33∗10−9𝐷𝐷∗35∗10−9𝐷𝐷4𝜋𝜋∗600𝐻𝐻𝐻𝐻∗33∗10−9𝐷𝐷∗35∗10−9𝐷𝐷

𝑅𝑅2 ≅ 7,8 [𝑘𝑘Ω]

El procedimiento a seguir para el diseño de la segunda estación del filtro es el

siguiente:

74

Con 𝐶𝐶1 = 47 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝑎𝑎1 = 1,4142 𝑏𝑏1 = 1,0000 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 600 [𝐻𝐻𝐻𝐻]


𝐶𝐶2 ≥ 47 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00001,41422

𝐶𝐶2 ≥ 47 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00001,41422

𝐶𝐶2 ≥ 94,002 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝐶𝐶2 ≅ 100 [𝑉𝑉𝑛𝑛]



𝑅𝑅1 = 1,4142∗100∗10−9𝐷𝐷−1,41422∗(100∗10−9𝐷𝐷)2−4∗1,0000∗47∗10−9𝐷𝐷∗100∗10−9𝐷𝐷4𝜋𝜋∗600𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗100∗10−9𝐷𝐷

𝑅𝑅1 ≅ 3,9 [𝑘𝑘Ω]


𝑅𝑅2 ≅ 3,9 [𝑘𝑘Ω]

Finalmente, el procedimiento a seguir para el diseño de la tercera estación del filtro

es el siguiente:

Con 𝐶𝐶1 = 6,8 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝑎𝑎1 = 0,5176 𝑏𝑏1 = 1,0000 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 600 [𝐻𝐻𝐻𝐻]


𝐶𝐶2 ≥ 6,8 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00000,51762

𝐶𝐶2 ≥ 6,8 ∗ 10−9𝑛𝑛 ∗ 4∗1,00000,51762

𝐶𝐶2 ≥ 102,48 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝐶𝐶2 ≅ 100 [𝑉𝑉𝑛𝑛]



𝑅𝑅1 = 0,5176∗100∗10−9𝐷𝐷−0,51762∗(100∗10−9𝐷𝐷)2−4∗1,0000∗6,8∗10−9𝐷𝐷∗100∗10−9𝐷𝐷4𝜋𝜋∗600𝐻𝐻𝐻𝐻∗6,8∗10−9𝐷𝐷∗100∗10−9𝐷𝐷

𝑅𝑅1 ≅ 10[𝑘𝑘Ω]


𝑅𝑅2 ≅ 10[𝑘𝑘Ω]

Con todos los valores calculados se obtiene el filtro Butterworth pasa bajas de

sexto orden con ganancia unitaria mostrado en la figura (Véase Figura 4.19). La

figura (Véase Figura 4.20) presenta la respuesta de amplitud vs frecuencia y la

respuesta de fase vs frecuencia de las tres estaciones colocadas en cascada

obteniendo un filtro de sexto orden.

75

FIGURA 4.19. Filtro Butterworth pasa bajas de sexto orden con ganancia unitaria.

Es importante mencionar que en el diseño se obtienen valores de elementos no

comerciales por lo que es necesario la conexión en serie de los mismos hasta

obtener los valores deseados; estos valores aseguran que la respuesta del filtro

simulado (Véase Figura 4.20) es la respuesta del filtro real ya implementado.

Para obtener la función de transferencia del filtro diseñado se toma como

referencia la ecuación de transferencia general para un filtro de segundo orden

presentada en la Ecuación 4.16 (Jung, 2005).

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =𝐴𝐴0𝜔𝜔𝑐𝑐2

𝜔𝜔𝑐𝑐2 + 𝜔𝜔𝑐𝑐𝑄𝑄 𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

ECUACIÓN 4.16. Función de transferencia para un filtro pasa bajas de segundo orden.

Fuente: (Jung, 2005).

La función de transferencia de la primera estación del filtro queda determinada por

la siguiente expresión matemática:

Con 𝜔𝜔𝑐𝑐 = 2𝜋𝜋𝑅𝑅𝑐𝑐 = 2 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 600 ≅ 3770 𝑎𝑎1 = 1,9319 𝐴𝐴0 = 1

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =14212900

14212900 + 7283𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

La función de transferencia de la segunda estación del filtro queda determinada

por la siguiente expresión matemática:


𝐴𝐴(𝑠𝑠) =14212900

14212900 + 5331𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

76

La función de transferencia de la tercera estación del filtro queda determinada por



𝐴𝐴(𝑠𝑠) =14212900

14212900 + 1951𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

Finalmente la función de transferencia del filtro Butterworth pasa bajas de sexto

orden con ganancia unitaria queda determinado por la siguiente expresión

matemática:

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =2,87 ∗ 1021

2,87 ∗ 1021 + 2,942 ∗ 1018𝑠𝑠 + 1,508 ∗ 1015𝑠𝑠2 + 4,898 ∗ 1011𝑠𝑠3 + 1,061 ∗ 108𝑠𝑠4 + 14565𝑠𝑠5 + 𝑠𝑠6

FIGURA 4.20. Respuesta de amplitud y fase adquirida en Matlab en base a la función de

transferencia del filtro pasa bajas diseñado.

4.1.2.4. FILTRO PASA ALTAS DE SEXTO ORDEN

En contraposición al circuito de filtro pasa bajas, un filtro pasa altas es un circuito

que atenúa todas las frecuencias menores a la frecuencia de corte especificada y

deja pasar a todas las señales cuyas frecuencias son mayores a la frecuencia de

corte especificada.

Para el diseño del filtro Butterworth pasa altas de ganancia unitaria de segundo

orden con una frecuencia de corte de 20 [Hz] al igual que en el filtro pasa bajas ya

diseñado, para llegar al sexto orden requerido es necesario el uso de tres

77

estaciones colocadas en cascada, utilizando la Ecuación 4.17 y la Ecuación 4.18,

además de los coeficientes requeridos calculados mediante la Ecuación 4.19 y la

Ecuación 4.20 para cada estación.

Para facilitar el diseño se selecciona una ganancia unitaria 𝛼𝛼 = 1 y 𝐶𝐶1 = 𝐶𝐶2 = 𝐶𝐶;

además en el filtro pasa altas Butterworth, la pendiente de caída llega a la

ganancia unitaria a una frecuencia mayor que la frecuencia de corte; por lo que,

como medida de seguridad se resta 5 [Hz] a la frecuencia de corte requerida para

garantizar que solo para valores menores a esta frecuencia se atenúe la señal.

𝑅𝑅1 =1

𝜋𝜋𝑅𝑅𝑐𝑐𝐶𝐶𝑎𝑎1 [Ω]

ECUACIÓN 4.17. Cálculo de resistencia R1 para un filtro pasa altas.


𝑅𝑅2 =1

4𝜋𝜋𝑅𝑅𝑐𝑐𝐶𝐶𝑏𝑏1 [Ω]

ECUACIÓN 4.18. Cálculo de resistencia R2 para un filtro pasa altas.


Dónde: 𝑅𝑅𝑐𝑐 : Frecuencia de corte

𝑎𝑎1, 𝑏𝑏1: Coeficientes del filtro.

𝑅𝑅1,𝑅𝑅2 : Resistencia 1, Resistencia 2

𝐶𝐶 : Condensador

Los coeficientes 𝑎𝑎1 y 𝑏𝑏1 se calculan en base a la Ecuación 4.19 y la Ecuación 4.20

o utilizando los valores disponibles en (Mancini & Carter, 2009) y en el ANEXO VI.

𝑎𝑎1 =1

𝜔𝜔𝑐𝑐𝑅𝑅1𝐶𝐶

ECUACIÓN 4.19. Coeficiente a1 para un filtro pasa altas.


𝑏𝑏1 =1

𝜔𝜔𝑐𝑐2𝑅𝑅1𝑅𝑅2𝐶𝐶2

ECUACIÓN 4.20. Coeficiente b1 para un filtro pasa altas.


Dónde: 𝜔𝜔𝑐𝑐: es la frecuencia para la cual la amplitud de la señal de entrada se atenúa 3

[dB], esta frecuencia de corte es propia del filtro.

𝑎𝑎1, 𝑏𝑏1: son los coeficientes del filtro.

78

El factor de calidad 𝑄𝑄 de un filtro pasa altas se calcula mediante la ecuación (Véase

Ecuación 4.15).

El procedimiento a seguir para el diseño de la primera estación del filtro utilizando

la Ecuación 4.17 y la Ecuación 4.18 es el siguiente:

Con 𝐶𝐶 = 47 [𝑉𝑉𝑛𝑛] 𝑎𝑎1 = 1,9319 𝑏𝑏1 = 1,0000 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 15 [𝐻𝐻𝐻𝐻]

𝑅𝑅1 = 1𝜋𝜋𝑓𝑓𝑐𝑐𝐶𝐶𝑎𝑎1

𝑅𝑅1 = 1𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗1,9319

𝑅𝑅1 ≅ 232 [𝑘𝑘Ω]

𝑅𝑅2 = 14𝜋𝜋𝑓𝑓𝑐𝑐𝐶𝐶𝑏𝑏1

𝑅𝑅2 = 14∗𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗1,0000

𝑅𝑅2 ≅ 220 [𝑘𝑘Ω]

El procedimiento a seguir para el diseño de la segunda estación del filtro utilizando

la Ecuación 4.17 y la Ecuación 4.18 es el siguiente:



𝑅𝑅1 = 1𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗100∗10−9𝐷𝐷∗1,4142

𝑅𝑅1 ≅ 150 [𝑘𝑘Ω]


𝑅𝑅2 = 14∗𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗1,0000

𝑅𝑅2 ≅ 75 [𝑘𝑘Ω]

Finalmente el procedimiento a seguir para el diseño de la tercera estación del filtro

utilizando la Ecuación 4.17 y la Ecuación 4.18 es el siguiente:



𝑅𝑅1 = 1𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗0,5176

𝑅𝑅1 ≅ 410 [𝑘𝑘Ω]


𝑅𝑅2 = 14∗𝜋𝜋∗15𝐻𝐻𝐻𝐻∗47∗10−9𝐷𝐷∗1,0000

𝑅𝑅2 ≅ 27 [𝑘𝑘Ω]

Diseñadas todas las estaciones requeridas para el filtro Butterworth pasa altas de

sexto orden con ganancia unitaria se obtiene el circuito presentado en la figura

(Véase Figura 4.21), cuya respuesta de amplitud vs frecuencia y la respuesta de

fase vs frecuencia se muestra en la figura (Véase Figura 4.22).

79

Al igual que en el diseño del filtro pasa bajas, en el diseño del actual filtro pasa

altas se obtienen valores de elementos no comerciales por lo que es necesario la

conexión en serie de los mismos hasta obtener los valores deseados para

garantizar que la respuesta del filtro simulado (Véase Figura 4.22) es la respuesta

del filtro real ya implementado.

FIGURA 4.21. Filtro Butterworth pasa altas de sexto orden con ganancia unitaria.


referencia la ecuación de transferencia general de un filtro pasa altas de segundo

orden presentada a continuación en la Ecuación 4.21 (Jung, 2005).

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =𝐴𝐴∞𝑠𝑠2

𝜔𝜔𝑐𝑐2 + 𝜔𝜔𝑐𝑐𝑄𝑄 𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

ECUACIÓN 4.21. Función de transferencia para un filtro pasa altas de segundo orden.


La función de transferencia de la primera estación del filtro queda determinada por


Con 𝜔𝜔𝑐𝑐 = 2𝜋𝜋𝑅𝑅𝑐𝑐 = 2 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 15 ≅ 94 𝑎𝑎1 = 1,9319 𝐴𝐴∞ = 1

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =𝑠𝑠2

8836 + 182𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

La función de transferencia de la segunda estación del filtro queda determinada

por la siguiente expresión matemática:



8836 + 133𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

80

La función de transferencia de la tercera estación del filtro queda determinada por




8836 + 49𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

Finalmente la función de transferencia del filtro Butterworth pasa bajas de sexto

orden con ganancia unitaria queda determinada por la siguiente expresión

matemática:


6,899 ∗ 1011 + 2,842 ∗ 1010𝑠𝑠 + 5,845 ∗ 108𝑠𝑠2 + 7,619 ∗ 106𝑠𝑠3 + 66149𝑠𝑠4 + 364𝑠𝑠5 + 𝑠𝑠6


transferencia del filtro pasa bajas diseñado.

4.1.2.5. FILTRO RECHAZA BANDAS

Un filtro rechaza bandas permite atenuar señales con frecuencias indeseables

dentro de una banda de detección y deja pasar señales en la pasa banda que

está en los dos lados de la banda de rechazo. Para el diseño del filtro rechaza

bandas de cuarto orden se diseña en cascada dos filtros rechaza banda iguales

conformado cada uno por un filtro rechaza bandas con topología Sallen - Key (filtro

activo Twin - T) con una ganancia de aproximadamente el doble de la señal

original.

81

En base a la Ecuación 4.22, la Ecuación 4.23 y la Ecuación 4.24 se determina los

valores de los componentes del circuito, necesarios para eliminar las señales con

frecuencia de 60 [Hz].

𝑅𝑅𝑚𝑚 =1

2𝜋𝜋𝑅𝑅𝐶𝐶 [𝐻𝐻𝐻𝐻]

ECUACIÓN 4.22. Cálculo de la frecuencia media para un filtro rechaza bandas.


𝐺𝐺 = 1 +𝑅𝑅2𝑅𝑅1

ECUACIÓN 4.23. Cálculo de la ganancia para un filtro rechaza bandas.


𝑄𝑄 =1

2(2 − 𝐺𝐺)

ECUACIÓN 4.24. Cálculo de la calidad de rechazo para un filtro rechaza bandas.


𝐴𝐴0 = 𝐺𝐺

𝑅𝑅3 =𝑅𝑅2

𝐶𝐶1 = 2𝐶𝐶

Dónde: 𝑅𝑅𝑚𝑚 : Frecuencia media

𝐺𝐺 : Ganancia interna

𝑅𝑅, 𝑅𝑅1, 𝑅𝑅2, 𝑅𝑅3: Resistencia, Resistencia 1, Resistencia 2, Resistencia 3

𝐶𝐶,𝐶𝐶1: Condensador, Condensador 1

𝐴𝐴0 : Ganancia de pasa banda

𝑄𝑄 : Calidad de rechazo

El procedimiento a seguir para el diseño tanto de la primera como de la segunda

estación del filtro de cuarto orden es el siguiente:

Con 𝑅𝑅𝑚𝑚 = 60 [𝐻𝐻𝐻𝐻] 𝑦𝑦 𝐶𝐶 = 100 [𝑉𝑉𝑛𝑛]

𝑅𝑅 = 12𝜋𝜋𝑓𝑓𝑚𝑚𝐶𝐶

𝑅𝑅 = 12∗𝜋𝜋∗60𝐻𝐻𝐻𝐻∗100∗10−9𝐷𝐷

𝑅𝑅 = 26,5 [𝑘𝑘Ω] 𝑅𝑅 ≅ 27 [𝑘𝑘Ω]

82

Debido a la dependencia existente entre Q y A0, se presentan dos vías, ya sea

utilizando la Ecuación 4.25 o la Ecuación 4.26 para calcular el valor de R2.

𝑅𝑅2 = (𝐴𝐴0 − 1)𝑅𝑅1 [𝐻𝐻𝐻𝐻] ECUACIÓN 4.25. Cálculo de R2 estableciendo la ganancia de la frecuencia media para un filtro

rechaza bandas.


𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅1 1 −1

2𝑄𝑄 [𝐻𝐻𝐻𝐻]

ECUACIÓN 4.26. Cálculo de R2 estableciendo una calidad de rechazo específica para un filtro

rechaza bandas.


Utilizando la Ecuación 4.26, con una calidad de rechazo de aproximadamente

𝑄𝑄 ≅ 30 y la resistencia 1 con un valor de 𝑅𝑅1 = 10 [𝑘𝑘Ω], se obtiene:

𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅1 1 − 12𝑄𝑄 𝑅𝑅2 = 10 ∗ 103Ω1 − 1

2∗30 𝑅𝑅2 = 9,83 [𝑘𝑘Ω] 𝑅𝑅2 ≅ 10 [𝑘𝑘Ω]

Finalmente se determina el valor de los componentes finales del circuito de filtro

rechaza bandas.

Con 𝑅𝑅 ≅ 27 [𝑘𝑘Ω] y 𝐶𝐶 = 100 [𝑉𝑉𝑛𝑛]

𝑅𝑅3 = 𝑅𝑅2 𝑅𝑅3 = 27∗103Ω

2 𝑅𝑅3 = 13,5𝑘𝑘Ω 𝑅𝑅3 ≅ 13,4𝑘𝑘Ω

𝐶𝐶1 = 2𝐶𝐶 𝐶𝐶1 = 2 ∗ 100 ∗ 10−9𝑛𝑛 𝐶𝐶1 ≅ 200 [𝑉𝑉𝑛𝑛]

En filtro rechaza bandas de cuarto orden está constituido por dos circuitos

idénticos de segundo orden cada uno; el circuito de filtro rechaza bandas de

segundo orden es presentado en la figura (Véase Figura 4.23).

83

FIGURA 4.23. Filtro rechaza bandas Twin-T de segundo orden.


referencia la ecuación de transferencia general de un filtro rechaza bandas de

segundo orden presentada en la Ecuación 4.27 (Jung, 2005).

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =𝐴𝐴0(𝑠𝑠2 + 𝜔𝜔𝐻𝐻2)

𝜔𝜔02 + 𝜔𝜔0

𝑄𝑄 𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

ECUACIÓN 4.27. Función de transferencia para un filtro rechaza bandas de segundo orden.


Dónde: 𝜔𝜔0: Frecuencia del polo

𝜔𝜔𝐻𝐻: Frecuencia del cero

Para un filtro rechaza bandas estándar 𝜔𝜔𝐻𝐻 = 𝜔𝜔0

La función de transferencia de una estación del filtro rechaza banda de cuarto

orden queda determinada por la siguiente expresión matemática:

Con 𝜔𝜔𝐻𝐻 = 𝜔𝜔0 = 2𝜋𝜋𝑅𝑅𝑚𝑚 = 2 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 60 ≅ 377 𝑄𝑄 = 30 𝐴𝐴0 = 2

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =2𝑠𝑠2 + 284258

142129 + 12,56𝑠𝑠 + 𝑠𝑠2

Utilizando la Ecuación 4.27 es posible determinar la función de transferencia del

filtro rechaza bandas de cuarto orden implementado:

84

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =8,08 ∗ 1010 + 1,137 ∗ 106𝑠𝑠2 + 4𝑠𝑠4

2,02 ∗ 1010 + 3,57 ∗ 106𝑠𝑠 + 2,844 ∗ 105𝑠𝑠2 + 25,12𝑠𝑠3 + 𝑠𝑠4

Al igual que en los anteriores diseños, en el diseño del actual filtro rechaza bandas

se obtienen valores de elementos no comerciales por lo que es necesario la

conexión en serie de los mismos hasta obtener los valores deseados para

garantizar que la respuesta del filtro simulado presentada en la Figura 4.24, es la

respuesta del filtro real ya implementado.


transferencia del filtro rechaza bandas.

4.1.2.6. AMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL SEMG FILTRADA

Una vez que la señal electromiográfica superficial ha sido totalmente filtrada, se

realiza una nueva amplificación de la señal; para ello se utiliza un amplificador

operacional no inversor con una ganancia de aproximadamente 11 veces la señal

original. Los valores de los elementos electrónicos del circuito son determinados

a partir de la ecuación (Véase Ecuación 2.1).

Utilizando la ecuación con 𝐺𝐺 ≅ 11 y 𝑅𝑅1 = 1 [𝑘𝑘Ω]

𝑅𝑅2 = 𝐺𝐺𝑅𝑅1 − 𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 = 11 ∗ 1 ∗ 103Ω − 1 ∗ 103Ω 𝑅𝑅2 = 10 [𝑘𝑘Ω]

Con los valores de los componentes electrónicos calculados, el circuito de

amplificador no inversor en la etapa de filtrado se presenta en la figura (Véase

Figura 4.25).

85

FIGURA 4.25. Amplificador no inversor en la etapa de filtrado.

En base a la ecuación (Véase Ecuación 4.10), se establece la función de

transferencia del amplificador no inversor de la etapa de filtrado.

Con 𝑅𝑅1 = 1 [𝑘𝑘Ω] y 𝑅𝑅2 = 10 [𝑘𝑘Ω]

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 11

En la Figura 4.26 se observa que cuando mayor es el orden del filtro rechaza

bandas la atenuación de las interferencias de 60 [Hz] es mayor. El filtro de cuarto

orden elimina un porcentaje de aproximadamente el 77,78% de las señales de 60

[Hz].

FIGURA 4.26. Interferencia de 60 [Hz].

(a) Sin filtro rechaza bandas

(b) Filtro rechaza bandas de segundo orden

(c) Filtro rechaza bandas de cuarto orden

La etapa de filtrado diseñada para el sistema (filtrado pasa bajas, filtrado pasa

altas, filtrado rechaza bandas y amplificación) se muestra en el ANEXO III.

86

4.1.2.7. RECTIFICACIÓN DE ONDA COMPLETA

Con la señal electromiográfica superficial original adquirida y filtrada, el siguiente

paso es la rectificación de la misma. La rectificación de una señal típicamente se

realiza para convertir la señal de entrada AC en una señal de salida DC. Se debe

tener en cuenta que un rectificador de onda completa obtiene una señal DC con

el promedio de los picos de la señal AC (Zumbahlen, 2011).

Para la rectificación de la señal se utiliza los diodos de alta velocidad 1N4148

utilizados para aplicaciones de conmutación de alta velocidad, su símbolo se

presenta en la Figura 4.27 y sus principales características son:

• Herméticamente sellados con vidrio y plomo SOD27 (DO - 35).

• Alta velocidad de conmutación: máx. 4 [ns].

• Aplicación general.

• Tensión inversa continua: máx. 100 [V].

• Tensión repetitiva inversa de pico: máx. 100 [V].

• Corriente directa de pico repetitiva: máx. 450 [mA].

FIGURA 4.27. Esquema simplificado del diodo 1N4148 (SOD27; DO - 35) y símbolo.

Fuente: (NXP Semiconductors, 2004)

El uso de diodos para la rectificación de una señal presenta un problema ya que,

un diodo posee una caída de tensión típicamente de 0,6 [V]; por ello cualquier

señal que sea de un orden de magnitud menor a este se distorsionará y para una

rectificación de onda completa el problema es mayor ya que se requiere el uso de

dos diodos. La solución estándar para este problema es utilizar los diodos en la

ruta de retroalimentación de un amplificador operacional convirtiendo los diodos

normales en diodos perfectos que por ejemplo, conduzcan unidireccionalmente

con caída de tensión directa igual a cero (Bode, 2008).

87

La Figura 4.28 muestra el circuito de rectificador de onda completa de precisión

de acuerdo (Bode, 2008) implementado en el sistema.

FIGURA 4.28. Rectificador de onda completa de precisión implementado.

En base a la Figura 4.28 se determina la función de trasferencia que rige el

funcionamiento del circuito.

Para valores negativos en la entrada del circuito, la función de trasferencia viene

dada por la Ecuación 4.28.

𝐴𝐴(𝑠𝑠) =𝑅𝑅2𝑅𝑅5𝑅𝑅1𝑅𝑅3

−𝑅𝑅5𝑅𝑅4

ECUACIÓN 4.28. Función de transferencia del rectificador de onda completa para valores

negativos de la entrada.

Fuente: (Bode, 2008)

Para valores positivos en la entrada del circuito, la función de trasferencia viene

dada por la Ecuación 4.29.

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = −𝑅𝑅5𝑅𝑅4

ECUACIÓN 4.29. Función de transferencia del rectificador de onda completa para valores

negativos de la entrada.


88

Existe una simetría inherente en las funciones de transferencia para las dos

mitades de la señal; de esta manera el circuito funciona cualitativamente siempre

que se cumpla la Ecuación 4.30 y la Ecuación 4.31 (Bode, 2008).

𝑅𝑅2𝑅𝑅5𝑅𝑅1𝑅𝑅3

= 2𝑅𝑅5𝑅𝑅4

ECUACIÓN 4.30. Condición 1 para el funcionamiento del rectificador de onda completa.


𝑅𝑅2𝑅𝑅4𝑅𝑅1𝑅𝑅3

= 2

ECUACIÓN 4.31. Condición 2 para el funcionamiento del rectificador de onda completa.


Utilizando la Ecuación 4.30 y la Ecuación 4.31, tomando como referencia a (Ting,

2013), las funciones de trasferencia del rectificador de onda completa de precisión

implementado quedan determinadas por:

Con 𝑅𝑅1 = 𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅3 = 10 [𝑘𝑘Ω] y 𝑅𝑅4 = 𝑅𝑅5 = 20 [𝑘𝑘Ω]

Para valores negativos en la entrada del circuito:

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 1

Para valores positivos en la entrada del circuito:

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = −1

La señal electromiográfica requiere un “alisado” para que finalmente se obtenga

una señal completamente DC, para lo cual se utiliza un amplificador operacional

cuya configuración funciona igual que un filtro inversor pasa bajas de primer orden;

haciendo uso de la característica de carga y descarga de un condensador es

posible realizar este alisado de la señal. La figura (Véase Figura 4.29) presenta el

circuito utilizado para la conversión final de la señal SEMG rectificada a una señal

DC promedio utilizable.

89

FIGURA 4.29. Filtro inversor pasa bajas de primer orden (alisado de la señal SEMG rectificada).

Con la Ecuación 4.32 es posible determinar el voltaje de rizado máximo que se

obtiene a la salida del circuito.

𝑉𝑉𝑟𝑟 =𝑉𝑉

2 ∗ 𝑅𝑅 ∗ 𝐶𝐶 [𝑉𝑉]

ECUACIÓN 4.32. Voltaje de rizado máximo del circuito de alisado.

Fuente: (Zumbahlen, 2011)

Conociendo que la corriente máxima del circuito viene dada por la Ecuación 4.33:

𝑉𝑉 =𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐

[𝐴𝐴]

ECUACIÓN 4.33. Corriente máxima del circuito de alisado.

Fuente: (Zumbahlen, 2011)

Utilizando la Ecuación 4.32 y la Ecuación 4.33, con los valores máximos para

frecuencia y voltaje de salida se obtiene el siguiente voltaje de rizado:

Con 𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐 = 3 [𝑉𝑉] 𝑅𝑅 = 500 [𝐻𝐻𝐻𝐻] 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 100 [𝑘𝑘Ω] 𝐶𝐶 = 2,2 [𝜇𝜇𝑛𝑛]

𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐𝑅𝑅𝑐𝑐

𝑉𝑉 = 3𝑉𝑉100∗103Ω

𝑉𝑉 ≅ 0,03 [𝑚𝑚𝐴𝐴]

𝑉𝑉𝑟𝑟 = 𝜋𝜋2∗𝑓𝑓∗𝐶𝐶

𝑉𝑉𝑟𝑟 = 0,03∗10−3𝐴𝐴2∗500𝐻𝐻𝐻𝐻∗2,2∗10−6𝐷𝐷

𝑉𝑉𝑟𝑟 ≅ 13,63 [𝑚𝑚𝑉𝑉]

Para obtener la función de transferencia del circuito diseñado se toma como

referencia la Figura 4.29, en base a la cual se obtiene la ecuación (Véase Ecuación

4.34) (Zumbahlen, 2011).

90

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = −𝑅𝑅𝑐𝑐𝑅𝑅1

∗1

1 + 𝑠𝑠𝐶𝐶𝑅𝑅𝑐𝑐

ECUACIÓN 4.34. Función de transferencia para el circuito de alisado. Fuente: (Zumbahlen, 2011)

En signo negativo de la Ecuación 4.34 indica que el filtro inversor de primer orden

genera a la salida un cambio de fase de 180° en base a la entrada del circuito

(Mancini & Carter, 2009).

La función de transferencia del filtro inversor de primer orden implementado que

realiza el alisado de la señal se determina utilizando la Ecuación 4.34, con los

siguientes valores:

Con 𝑅𝑅1 = 100 [𝑘𝑘Ω] 𝑅𝑅𝑐𝑐 = 100 [𝑘𝑘Ω] 𝐶𝐶 = 2,2 [𝜇𝜇𝑛𝑛]

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = −1

1 + 0,22𝑠𝑠

4.1.2.8. AMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL SEMG RECTIFICADA

Para concluir con la etapa de rectificación de la señal SEMG, se amplifica la señal

DC promedio proporcional a la señal EMG rectificada; para lo cual se utiliza un

amplificador operacional no inversor con ganancia variable fijada entre 1 y 5,25.

Con la ecuación (Véase Ecuación 2.1) se determina los valores de los

componentes necesarios para establecer el rango de ganancias que brinda el

circuito (Véase Figura 4.30).

Utilizando la ecuación (Véase Ecuación 2.1) con 1 ≤ 𝐺𝐺 ≤ 5,25 y 𝑅𝑅1 = 4,7 [𝑘𝑘Ω]

𝑅𝑅2 = 𝐺𝐺𝑅𝑅1 − 𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 = 5,25 ∗ 4,7 ∗ 103Ω − 4,7 ∗ 103Ω

0 [Ω] ≤ 𝑅𝑅2 ≤ 20 [𝑘𝑘Ω]

En base a los cálculos de la ecuación se determina que, para establecer una

ganancia variable entre 1 y 5,25 es necesario un potenciómetro de 20 [𝑘𝑘Ω].

91

FIGURA 4.30. Amplificador no inversor en la etapa de rectificación.

En base a la ecuación (Véase Ecuación 4.10), se establece la función de

transferencia del amplificador no inversor de la etapa de rectificación.

Con 𝑅𝑅1 = 4,7𝑘𝑘Ω y 0Ω ≤ 𝑅𝑅2 ≤ 20𝑘𝑘Ω

𝐴𝐴(𝑠𝑠) = 1 +𝑅𝑅2

4700Ω

La etapa de rectificación de la señal EMG se muestra en el ANEXO III; en este

diagrama se aprecia los circuitos: rectificador de onda completa, filtrado por

condensador y amplificador no inversor con ganancia variable.

4.2. SIMULACIÓN DEL SISTEMA

Antes de la implementación física del sistema es necesario realizar la simulación

del sistema que valide su funcionamiento, para realizar la simulación completa se

utiliza una señal SEMG virtual creada a partir de una tabla de datos, además para

comprobar el funcionamiento de los filtros y del circuito rectificador se utiliza como

entrada una señal oscilatoria. Para la simulación de todos estos circuitos se utiliza

el software computacional Multisim 13.0 Power Pro Edition de National

Instruments.

4.2.1. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Con los circuitos diseñados en la etapa de adquisición y armados en Multisim

13.0, se utiliza como entrada el componente virtual “fuente de voltaje lineal a

92

trozos” que permite graficar una señal de voltaje en base a una tabla de datos; en

la simulación, esta tabla de datos reproduce la señal electromiográfica de una

persona sana (PhysioNet, 2011), la cual es amplificada y visualizada en un

osciloscopio virtual.

La tabla de datos que representa la señal electromiográfica utilizada (PhysioNet,

2011) fue adquirida por el sistema de monitoreo “Medelec Sinergia N2 EMG”, la

misma representa el potencial de una unidad motora específica ya filtrada.

La Figura 4.31 presenta el potencial adquirido y amplificado en base a los circuitos

diseñados para la etapa de adquisición de la señal mioeléctrica.

FIGURA 4.31. Señal EMG simulada y adquirida con una ganancia de aproximadamente 132

veces la señal original.

4.2.2. FILTROS UTILIZADOS EN EL SISTEMA SEMG

La simulación de los filtros en Multisim 13.0 requiere de la construcción de los

circuitos con la configuración y valores de los componentes ya diseñados y

calculados previamente; para la verificación en función de la amplitud de la entrada

y salida de voltaje de los circuitos: pasa altas, pasa bajas y rechaza bandas se

ingresa una señal senoidal y se varía gradualmente la frecuencia de esta señal

observando la atenuación de la señal para cada frecuencia de corte de los filtros;

en base a este procedimiento se confirma el filtrado de la señal de entrada y se

reafirma que, la respuesta de amplitud y fase de los circuitos es la indicada en la

figura (Véase Figura 4.32).

93


transferencia de todos los filtros diseñados para el sistema.

Para la simulación del funcionamiento de todos los filtros diseñados para la etapa

de filtrado de la señal SEMG se utilizan básicamente dos componentes virtuales:

un generador de funciones y un osciloscopio virtual de Multisim 13.0.

La Figura 4.33 presenta la señal de entrada senoidal con una amplitud de 10 [mV]

y la señal de salida del filtro pasa bajas de sexto orden de ganancia unitaria con

una frecuencia de corte de aproximadamente 500 [Hz]; en esta gráfica se muestra

la entrada - salida del circuito para frecuencias de 500 [Hz], 700 [Hz] y 900 [Hz] y

se aprecia que la amplitud de la señal decrece a partir de la frecuencia de corte

establecida para el filtro.

FIGURA 4.33. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro pasa bajas de sexto orden de

ganancia unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente 500 [Hz].

94

En la figura (Véase Figura 4.33) se aprecia que existe un desfase entre la señal

de entrada y la señal de salida del filtro; este desfase queda determinado por el

“retardo de grupo” que posee el filtro diseñado y que se define como el tiempo con

el cual el filtro desfasa a cada frecuencia dentro de la banda (Mancini & Carter,

2009); el retardo de grupo para el filtro pasa bajas de sexto orden de ganancia

unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente 500 [Hz] se presenta en

la Figura 4.34.

FIGURA 4.34. Retardo de grupo del filtro pasa bajas de sexto orden de ganancia unitaria con una

frecuencia de corte de aproximadamente 500 [Hz] generado por el software FilterPro de Texas

Instruments.

Aplicando una señal de entrada senoidal con una amplitud de 10 [mV] y variando

la frecuencia de la misma para valores de 5 [Hz], 13 [Hz] y 20 [Hz] se evidencia el

filtrado de la señal de salida del filtro pasa altas de sexto orden de ganancia

unitaria a partir de la frecuencia de corte establecida de aproximadamente 20 [Hz]

como se aprecia en la Figura 4.35, con un retardo de grupo presentado en la figura

(Véase Figura 4.36).

FIGURA 4.35. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro pasa altas de sexto orden de

ganancia unitaria con una frecuencia de corte de aproximadamente 20 [Hz].

95

FIGURA 4.36. Retardo de grupo del filtro pasa altas de sexto orden de ganancia unitaria con una

frecuencia de corte de aproximadamente 20 [Hz] generado por el software FilterPro de Texas

Instruments.

De manera similar para el filtro rechaza bandas de cuarto orden con una frecuencia

media de aproximadamente 60 [Hz] y ganancia de aproximadamente 4, se utiliza

una señal de entrada senoidal con una amplitud de 10 [mV] y para este caso, se

utiliza frecuencias de 59 [Hz], 60 [Hz] y 61 [Hz] apreciando gráficamente la

atenuación de las señales de 60 [Hz] en la Figura 4.37 con un desfase de la señal

de salida presentado en la figura (Véase Figura 4.38).

FIGURA 4.37. Amplitud de entrada y amplitud de salida del filtro rechaza bandas de cuarto orden

con ganancia 4 con una frecuencia media de aproximadamente 60 [Hz].

96

FIGURA 4.38. Retardo de grupo del filtro rechaza bandas de cuarto orden con ganancia 4 con

una frecuencia media de aproximadamente 60 [Hz] generado por el software FilterPro de Texas

Instruments.

4.2.3. AMPLIFICADORES EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA

La amplificación de la señal mioeléctrica adquirida debe ser realizada en varias

etapas y en puntos específicos del sistema. Tres amplificadores con configuración

no inversora son utilizados: uno que amplifica el potencial de salida de la etapa de

adquisición, uno que amplifica el potencial a la salida de la etapa de filtrado y uno

que amplifica la señal a la salida de la etapa de rectificación. Las figuras (Véase

Figura 4.39 y Figura 4.40) presentan de forma gráfica el funcionamiento de estos

tres amplificadores operacionales no inversores; como entrada se genera una

señal senoidal con una amplitud de 10 [mV] a 60 [Hz] y a través de un osciloscopio

virtual se observa la señal senoidal amplificada tantas veces como la ganancia lo

indica.

FIGURA 4.39. Amplitud de entrada y amplitud de salida de los AO en configuración no inversora

utilizados a la salida de la etapa de adquisición y a la salida de la etapa de filtrado con una

ganancia de 11.

97

FIGURA 4.40. Amplitud de entrada y amplitud de salida del AO en configuración no inversora

utilizado a la salida de la etapa de rectificación con una ganancia regulable de 1 ≤ 𝐺𝐺 ≤ 5,25.

4.2.4. RECTIFICACIÓN Y ALISADO DE LA SEÑAL EMG

Para la simulación del funcionamiento de los circuitos de rectificación y alisado de

la señal SEMG se utilizan básicamente dos componentes virtuales: un generador

de funciones y un osciloscopio virtual de Multisim 13.0.

En base una señal senoidal de entrada de 10 [mV] a 60 [Hz], se verifica la

rectificación de onda completa a la salida del circuito diseñado; la rectificación de

la señal senoidal se produce en la componente positiva de la onda, mientras que

la componente negativa queda intacta. La configuración inversora que se aplica

en el circuito que permite el alisado de la señal rectificada permite obtener un

voltaje positivo a la salida del sistema. Todo el funcionamiento del proceso de

rectificación que produce el sistema se aprecia en la Figura 4.41.

FIGURA 4.41. Simulación de la rectificación y alisado de una señal de entrada de 10 [mV] a 60

[Hz].

98

4.2.5. SIMULACIÓN DE TODAS LAS ETAPAS CONSTITUYENTES DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEMG

Simular el circuito completo requiere el uso de fuentes de voltaje virtuales

especiales de Multisim 13.0: dos fuentes variables que generen señales fuera del

rango típico de señales electromiográficas, una fuente que genere una señal a 60

[Hz], además de una fuente que genere una señal electromiográfica pura; todas

estas fuentes permiten simular la señal real con las interferencias más importantes

que afectan a un potencial eléctrico de electromiografía superficial. En la Figura

4.42 se aprecia los potenciales obtenidos mediante un osciloscopio virtual en

puntos específicos del sistema (entrada, filtrado, rectificación y salida).

FIGURA 4.42. Potenciales generados en puntos específicos de la simulación completa del

sistema.

4.3. CONSTRUCCIÓN

La construcción de los circuitos impresos requeridos para el funcionamiento del

sistema EMG, requiere de la generación del ruteo de las pistas o rutas mediante

las cuales se conectan los elementos constituyentes de estos circuitos. Para la

construcción de todos los circuitos impresos se utiliza Ultiboard 13.0. Este software

permite exportar los archivos que contienen los circuitos de simulación creados en

Multisim 13.0 y gracias a sus características, funciones y herramientas permite

generar manual o automáticamente las rutas necesarias para el funcionamiento

de los circuitos.

99

4.3.1. HUELLAS DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS UTILIZADOS

La huella de un elemento electrónico permite la representación gráfica de estos

elementos en el software de diseño de tarjetas de circuito impreso. Generalmente

es la representación de la vista “planta” del elemento. La huella de los elementos

electrónicos contiene información acerca de su tamaño real, forma, tamaño del

agujero (montaje no superficial), nombre y referencia del elemento, además del

nombre y número de cada pin.

La Tabla 4.4 presenta las huellas de los elementos utilizados en el diseño de los

circuitos impresos.

Huellas utilizadas para los elementos electrónicos

Componente Convención/Fabricante Huella

AD620 IPC-2221A/2222 DIP-8

LM324N IPC-2221A/2222 PDIP-14(N14A)

Resistencias IPC-2221A/2222 RES900-300X200

Condensadores

cerámicos IPC-2221A/2222 CAPR250-500X250X550

Condensadores

electrolíticos IPC-2221A/2222 CAPPR200-500X1100

Espadines Genérico HDR1x2/ HDR1x3

Conector TRS

(SJ1-3515N) CUI

SJ1-3515N (modificado para adaptación al

componente real: K3624 distribuido por

(Mantech Electronics, 2015))

Potenciómetro Ultiboard

POT0 (modificado para adaptación al

componente real: WIW1029—W—503

fabricado por (Sharma Electro Components,

2015))

Diodo 1N4148 NXP Semiconductors DO-35-2(SOD27)

TABLA 4.4. Huellas utilizadas para los elementos en el diseño de las tarjetas PCB.

4.3.2. ELEMENTOS ELECTRÓNICOS REQUERIDOS

En el ANEXO XI se detallan todos los elementos electrónicos utilizados en los

circuitos diseñados para las etapas de adquisición, filtración y rectificación, todos

estos elementos son colocados y soldados de acuerdo a su referencia

100

especificada en Multisim 13.0 y Ultiboard 13.0; debido a los altos porcentajes de

tolerancia de los elementos utilizados es posible obtener valores no comerciales

necesarios en los circuitos, sin embargo pueden ser utilizados valores comerciales

cercanos a los valores específicos calculados en el Capítulo IV, obteniendo

resultados similares.

4.3.3. TARJETA DE CIRCUITO IMPRESO

Con las huellas correctas seleccionadas para cada componente de los circuitos

diseñados se procede a rutear las pistas necesarias para el funcionamiento de los

circuitos, para lo cual se utiliza las siguientes funciones de Ultiboard 13.0: auto

colocación de piezas, auto ruteo, optimización de ruteo y edición en sitio. La Figura

4.43 y la Figura 4.44 presentan el diseño final PCB para la implementación del

sistema SEMG diseñado.

FIGURA 4.43. Proyección 3D de la vista superior de la placa PCB con las etapas de adquisición,

filtrado y rectificación de la señal SEMG.

FIGURA 4.44. Proyección 3D de la vista inferior de la placa PCB con las etapas de adquisición,

filtrado y rectificación de la señal SEMG.

CAPÍTULO V

5. REGISTRO DE DATOS, PRUEBAS Y RESULTADOS

En este Capítulo se detalla el conjunto de procedimientos en base a los cuales se

registra, analiza y valida el funcionamiento del sistema previamente diseñado

simulado y construido. La toma de datos es registrada por una MyRIO y un

osciloscopio digital BK Precision 2534 para su posterior procesamiento en el

software computacional LabVIEW.

5.1. REGISTRO DE DATOS

Actualmente existe una amplia gama de métodos disponibles para, en primera

instancia detectar una señal EMG (Thexton, 1996) (Bonato, et al., 1998) (Xu &

Adler, 2004). Debido a que una señal está formada por la superposición de la

actividad de múltiples unidades motoras es posibles descomponer esta señal EMG

(Laterza & Olmo, 1997) (Kumar, Pah, & Bradley, 2003) (Martin & Flandrin, 1985)

(Raez, et al., 2006) (Cheron, et al., 1996) (Chan, et al., 2000) (Yana, et al., 1995),

todos estos métodos son utilizados para el análisis de una unidad motora

específica, por lo que no son aplicables para la validación del actual sistema. En

SEMG se opta por un análisis de amplitud y un análisis del espectro de frecuencias

dado por la transformada de Fourier de las señales registradas.

5.1.1. SELECCIÓN DE LOS MÚSCULOS DE LA PARTE INFERIOR DE LA PIERNA

El más mínimo movimiento generado por el cuerpo humano resulta de una

combinación estratégica de una gran cantidad de músculos; es por ello que, para

la selección de un músculo en el cual realizar el registro de datos es importante

identificar los músculos que intervienen en el movimiento particular de la

extremidad o de una porción de ella.

5.1.1.1. MÚSCULOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO DEL TOBILLO

Para la selección de los músculos en los cuales se realizan los registros de datos

se debe tener en cuenta todos los músculos involucrados en los movimientos

permitidos por el tobillo (Véase Tabla 5.1).

102

Músculos que intervienen en los movimientos del tobillo

Dorsiflexión Flexión plantar

Extensor largo de los dedos

Extensor largo del dedo gordo

Tercer peroneo

Tibial anterior

Flexor común de los dedos del pie

Flexor largo del dedo gordo

Gastrocnemio

Peroneo lateral corto

Peroneo largo

Plantar

Sóleo

Tibial posterior

Eversión Inversión

Extensor largo de los dedos

Peroneo lateral corto

Peroneo largo

Peroneo tercero

Flexor largo de los dedos

Tibial anterior

Tibial posterior

TABLA 5.1. Músculos que intervienen en los movimientos del tobillo.

Autor: (Florimond, 2009)

5.1.1.2. CRITERIOS DE SELECCIÓN

La selección final de los músculos a utilizar requiere de la aplicación de varios

criterios en los cuales se fundamenta esta selección, los cuales se detallan a

continuación:

• El sistema de adquisición y acondicionamiento de señales SEMG será

aplicado para casos de amputaciones transtibiales, se debe obviar el uso

de músculos que provienen del pie.

• La mayoría de prótesis que utilizan señales EMG para su accionamiento

tienen un solo grado de libertad.

• La mayoría de prótesis que utilizan señales EMG para su accionamiento

simulan los movimientos de dorsiflexión y flexión plantar.

• Las recomendaciones dadas por el Proyecto SENIAM para la porción

inferior de la pierna y pie.

• Revisión de investigaciones y bibliografía sobre medición de señales EMG

para la porción inferior de la pierna.

103

5.1.1.3. SELECCIÓN

En base al cumplimiento de todos los criterios de selección antes descritos

mediante la revisión de bibliografía y publicaciones científicas (Hermens & Freriks,

1996) (Olney & Winter, 1985) (Au, et al., 2005) (Bogey, et al., 2005) (Arampatzis,

et al., 2006) (Wang, et al., 2013) (Hitt, et al., 2007) (Florimond, 2009) y la Tabla

5.1 se determina que los músculos seleccionados para la validación del sistema

EMG diseñado y construido presentados en la Figura 5.1 son los siguientes:

• Gastrocnemio Lateral

• Gastrocnemio Medial

• Tibial Anterior

FIGURA 5.1. Músculos seleccionados para el registro de datos.

(a) Gastrocnemio Lateral

(b) Gastrocnemio Medial

(c) Tibial Anterior

5.1.2. PROCEDIMIENTO PARA EL REGISTRO Y ANÁLISIS DE LA SEÑAL SEMG

Con los músculos seleccionados para el registro y análisis de las señales EMG

que generan dichos músculos; el siguiente paso es definir el conjunto de pasos

requeridos para adquirir la señal utilizando los instrumentos electrónicos ya

determinados.

El procedimiento a seguir puede ser dividido de forma general en tres etapas: una

etapa inicial, una etapa de registro y una etapa de procesado.

104

5.1.2.1. ETAPA INICIAL

Esta etapa involucra la preparación de la piel del paciente, la cual busca reducir la

impedancia y brindar características óptimas que permitan un buen contacto entre

el electrodo superficial y la piel (Konrad, 2005); para la preparación de la piel se

realizan dos actividades imprescindibles:

• Afeitado de la zona de la piel donde se aplican los electrodos.

• Limpieza de la piel con alcohol para disminuir la capa de piel seca o células

muertas además de eliminar el sudor en las zonas del músculo para el

registro.

En base a guías publicadas (Criswell, 2010) (Mercer, et al., 2006) (Hermens &

Freriks, 1996) se determina la ubicación de los electrodos bipolares y la ubicación

del electrodo de referencia presentadas en la Tabla 5.2 para los tres músculos

seleccionados; con una distancia inter electrodo de aproximadamente 20 [mm]

(Hermens & Freriks, 1996).

TABLA 5.2. Procedimiento 1 para la colocación de los electrodos.

Fuente: (Hermens & Freriks, 1996)

Procedimiento 1 para la colocación de los electrodos

Músculo Desde la postura

Ubicación Orientación Electrodo referencia

Gastrocnemio

Medial

Tendido en

el vientre

con la cara

hacia abajo,

la rodilla

extendida.

Los electrodos deben ser

colocados en la

protuberancia más

prominente del músculo.

En la dirección de

la pierna.

Sobre o

alrededor

del tobillo.

Gastrocnemio

Lateral


colocados en un tercio de

la línea entre la cabeza

del peroné y el talón.

En la dirección de

la línea entre la

cabeza del peroné

y el talón.

Tibial Anterior

Supino o

sentado.


colocados en un tercio en

la línea entre la punta del

peroné y la punta del

maléolo medial.

En la dirección de

la línea entre la

punta del peroné y

la punta del

maléolo medial.

105

Las ubicaciones, punto de referencia tomados y la postura para la colocación

descritos en la tabla (Véase Tabla 5.2), se muestran en la Figura 5.2.

FIGURA 5.2. Ubicación 1 de los electrodos para los músculos seleccionados.

Fuente: (Hermens & Freriks, 1996)

La Tabla 5.3 y la Figura 5.3 permiten establecer un procedimiento alternativo al

propuesto por (Hermens & Freriks, 1996) para la correcta ubicación de los

electrodos superficiales.

Procedimiento 2 para la colocación de los electrodos Músculo Referencia anatómica (ALF) Ubicación óptima del electrodo

Gastrocnemio

Medial

Una línea entre el lado medial de la

inserción del tendón de Aquiles y el

lado medial de la cavidad poplítea.

Entre el 87% y el 100 % de la ALF.

Gastrocnemio

Lateral

Una línea entre el lado lateral de la

inserción del tendón de Aquiles y el

lado lateral de la cavidad poplítea.

Entre el 75 % y el 100 % de la ALF.

Tibial Anterior

Una línea entre la tuberosidad tibial

y la línea intermaleolar.

Entre 0 % y 19 % o entre el 51 % y

el 100 % de la ALF.

TABLA 5.3. Procedimiento 2 para la colocación de los electrodos.


FIGURA 5.3. Ubicación 2 de los electrodos para los músculos seleccionados.


106

5.1.2.2. ETAPA DE REGISTRO

El registro de la señal EMG involucra la obtención de la contracción máxima

voluntaria de cada músculo en estudio; para lo cual se sigue un procedimiento

clínico específico que permite obtener esta contracción. La Tabla 5.4 presenta dos

alternativas para realizar este procedimiento, de las cuales se utiliza la propuesta

por (Hermens & Freriks, 1996).

Test clínicos para adquirir la contracción máxima voluntaria de los músculos seleccionados

Músculo Test clínico propuesto por (Hermens &

Freriks, 1996)

Test clínico propuesto por

(Barbero, et al., 2012)

Tibial anterior

Apoyar la pierna justo por encima de la

articulación del tobillo con la articulación del

tobillo en flexión dorsal y el pie en la inversión

sin la extensión del dedo gordo. Aplicar presión

contra el lado medial, la superficie dorsal del

pie en la dirección de la flexión plantar de la

articulación del tobillo y la eversión del pie.

El paciente sentado en

una silla. A continuación,

se realiza una contracción

isométrica durante una

extensión dorsal del

tobillo.

Gastrocnemio

medial

La flexión plantar del pie con énfasis en el talón

hacia arriba empujando la parte delantera del

pie hacia abajo. Para la presión máxima en

esta posición, es necesario aplicar presión

contra la parte delantera del pie, así como

contra el calcáneo.

El paciente con la rodilla

extendida. A continuación,

se realiza una contracción

isométrica durante una

flexión plantar del tobillo.

Gastrocnemio

lateral

TABLA 5.4. Test clínicos para adquirir la contracción máxima voluntaria de los músculos

seleccionados.

Fuentes: (Hermens & Freriks, 1996) (Barbero, et al., 2012)

El registro de la actividad eléctrica muscular que se produce con la contracción

máxima voluntaria permite normalizar la forma de onda obtenida con respecto a

esta contracción para determinado músculo e individuo. Generalmente para el

registro se realiza tres contracciones isométricas máximas de aproximadamente 6

segundos, con un intervalo de descanso entre cada una de ellas; con lo que es

posible analizar un promedio entre las tres que permite normalizar la señal (Rey,

et al., 2010).

107

5.1.2.3. ETAPA DE PROCESADO

La señal EMG bruta adquirida y filtrada por el sistema y registrada mediante los

instrumentos descritos en el Capítulo II debe ser procesada para que pueda ser

analizada. Dos tipos de análisis son los más utilizados: análisis de amplitud y

análisis de frecuencia. Para el análisis de la amplitud de la señal se realiza la

rectificación y suavizado de la misma con lo que se obtiene un valor proporcional

al de la contracción máxima muscular registrada, mientras que para el análisis de

la frecuencia de la señal se aplica la transformada rápida de Fourier y un suavizado

de la señal con lo que se obtiene el espectro de frecuencias para la señal EMG

registrada.

5.2. PRUEBAS

En primera instancia, se realiza pruebas preliminares de los circuitos diseñados,

para lo cual se implementa el sistema en una placa de pruebas y se realiza los test

presentados en la tabla (Véase Tabla 5.4), la Figura 5.4 presenta las pruebas

preliminares realizadas.

FIGURA 5.4. Pruebas preliminares de funcionamiento de sistema SEMG.

Estas pruebas preliminares se validan analizando que para una contracción

determinada, se tiene una potencial EMG puro (canal 1 del osciloscopio BK

Precision 2534) y una señal DC proporcional a dicha contracción (canal 2 del

osciloscopio BK Precision 2534).

El correcto funcionamiento de los circuitos probados en la placa de pruebas

permite continuar con la construcción de las placas PCB presentadas en el

Capítulo IV; de igual manera con el sistema completamente construido se realizan

108

los test de la tabla (Véase Tabla 5.4) y se procede a realizar el registro, procesado

y obtención de los resultados presentados en la siguiente sección.

5.3. RESULTADOS

En primera instancia se ingresa las señales EMG adquiridas por la NI MyRIO y el

osciloscopio BK Precision 2534 mediante la interfaz programada y diseñada en NI

LabVIEW 2014, donde son procesadas hasta obtener sus principales

características; en base a la comparación de los resultados obtenidos para los

músculos seleccionados, finalmente se selecciona uno de ellos.

5.3.1. GASTROCNEMIO MEDIAL

La Figura 5.5 presenta gráficamente los tres registros de señales

electromiográficas superficiales obtenidas del músculo gastrocnemio medial, con

los cuales se obtiene una señal promedio resultante.

FIGURA 5.5. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio medial.

La Figura 5.6 presenta en primera instancia la señal EMG promedio resultante, la

cual es amplificada y filtrada por el sistema ya construido; finalmente se realiza la

rectificación por software de los componentes negativos de la señal obtenida.

FIGURA 5.6. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio medial.

(a) Señal SEMG promedio.

(b) Señal SEMG amplificada y filtrada por hardware.

(c) Señal SEMG rectificada por LabVIEW.

109

Algunas de las características más relevantes que se desprenden de la figura

(Véase Figura 5.6) se presentan a continuación en la Tabla 5.5 y en la Tabla 5.6.

Características de la señal SEMG real promedio proveniente del músculo gastrocnemio medial

Característica Valor

Pico – Pico 1,63545 [mv]

Máximo pico positivo 0,758035 [mv]

Máximo pico negativo -0,87741 [mv]

TABLA 5.5. Características de la señal SEMG real promedio del músculo gastrocnemio medial.

Características de la señal SEMG amplificada y filtrada proveniente del músculo gastrocnemio medial


Ciclo Promedio 0,0241498 [v]

Ciclo RMS 1,54282 [v]

Pico – Pico 9,49867 [v]

Máximo pico positivo 4,40267 [v]

Máximo pico negativo -5,096 [v]

RMS 1,41889 [v]

TABLA 5.6. Características de la señal SEMG amplificada y filtrada proveniente del músculo

gastrocnemio medial.

El análisis de amplitud para la señal electromiográfica superficial del músculo

gastrocnemio medial se presenta gráficamente en la Figura 5.7, cuyas principales

características se presentan en la tabla (Véase Tabla 5.7).

FIGURA 5.7. Análisis de amplitud de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio

medial.

(a) Señal rectificada suavizada mediante filtrado.

(b) Valor RMS de la señal.

110

Características de la señal SEMG rectificada y suavizada proveniente del músculo gastrocnemio medial


Pico máximo 1,80598 [v]

Promedio DC 1,08935 [v]

RMS 1,12595 [v]

TABLA 5.7. Características de la señal SEMG rectificada y suavizada proveniente del músculo

gastrocnemio medial.

El espectro de frecuencias para la señal electromiográfica superficial del músculo

gastrocnemio medial se presenta gráficamente en la Figura 5.8, cuyas principales

características se presentan en la Tabla 5.8.

FIGURA 5.8. Análisis de frecuencia de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio

medial.

(a) Espectro de frecuencias aplicando la transformada rápida de Fourier.

(b) Suavizado del espectro de frecuencias mediante filtrado.

Características del espectro de frecuencias de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio medial


Frecuencia máxima 517,32 [Hz]

Amplitud máxima 3,65578 [v]

Frecuencia mínima 12,307 [Hz]

Amplitud mínima 0,154788 [v]

TABLA 5.8. Características del espectro de frecuencias de la señal SEMG proveniente del

músculo gastrocnemio medial.

111

5.3.2. GASTROCNEMIO LATERAL


electromiográficas superficiales obtenidas del músculo gastrocnemio lateral, con

los cuales se obtiene una señal promedio resultante.

FIGURA 5.9. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio lateral.

La Figura 5.10 presenta en primera instancia la señal EMG promedio resultante,

la cual es amplificada y filtrada por el sistema ya construido; finalmente se realiza

la rectificación por software de los componentes negativos de la señal obtenida.

FIGURA 5.10. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio lateral.




Algunas de las características más relevantes que se desprenden de la Figura

5.10 se presentan a continuación en las tablas (Véase Tabla 5.9 y Tabla 5.10).

Características de la señal SEMG real promedio del músculo gastrocnemio lateral





TABLA 5.9. Características de la señal SEMG real promedio del músculo gastrocnemio lateral.

112

Características de la señal SEMG amplificada y filtrada proveniente del músculo gastrocnemio medial




Pico – Pico 5,96267 [v]



RMS 1,04175 [v]


gastrocnemio lateral.

El análisis de amplitud para la señal electromiográfica superficial del músculo

gastrocnemio lateral se presenta gráficamente en la Figura 5.11, cuyas principales


FIGURA 5.11. Análisis de amplitud de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio

lateral.



Características de la señal SEMG rectificada y suavizada proveniente del músculo gastrocnemio lateral




RMS 0,857756 [v]


gastrocnemio lateral.

113


gastrocnemio lateral se presenta gráficamente en la Figura 5.12, cuyas principales


FIGURA 5.12. Análisis de frecuencia de la señal SEMG registrada en el músculo gastrocnemio

lateral.



Características del espectro de frecuencias de la señal SEMG proveniente del músculo gastrocnemio lateral







músculo gastrocnemio lateral.

5.3.3. TIBIAL ANTERIOR


electromiográficas superficiales obtenidas del músculo tibial anterior, con los

cuales se obtiene una señal promedio resultante.

FIGURA 5.13. Registros de la señal SEMG proveniente del músculo tibial anterior.

114

La Figura 5.14 presenta en primera instancia la señal EMG promedio resultante,

la cual es amplificada y filtrada por el sistema ya construido; finalmente se realiza

la rectificación por software de los componentes negativos de la señal obtenida.

FIGURA 5.14. Procesado de la señal SEMG registrada en el músculo tibial anterior.




Algunas de las características más relevantes que se desprenden de la Figura

5.14 se presentan a continuación en la Tabla 5.13 y en la Tabla 5.14.

Características de la señal SEMG amplificada y filtrada proveniente del músculo tibial anterior




Pico – Pico 7,62667 [v]



RMS 1,20262 [v]


tibial anterior.

Características de la señal SEMG real promedio del músculo tibial anterior





TABLA 5.14. Características de la señal SEMG real promedio del músculo tibial anterior.

115

El análisis de amplitud para la señal electromiográfica superficial del músculo tibial

anterior se presenta gráficamente en la Figura 5.15, cuyas principales


FIGURA 5.15. Análisis de amplitud de la señal SEMG registrada en el músculo tibial anterior.



Características de la señal SEMG rectificada y suavizada proveniente del músculo tibial anterior




RMS 0,98549 [v]


tibial anterior.


tibial anterior se presenta gráficamente en la Figura 5.16, cuyas principales

características se presentan en la tabla (Véase Tabla 5.16).

FIGURA 5.16. Análisis de frecuencia de la señal SEMG registrada en el músculo tibial anterior.



116

Características del espectro de frecuencias de la señal SEMG proveniente del músculo tibial anterior







músculo tibial anterior.

La Tabla 5.17 presenta la comparación de las características extraídas del

registro, análisis de amplitud y análisis de frecuencia para los músculos

seleccionados.

Comparativa entre las principales características de las señales SEMG de los músculos seleccionados

Característica Gastrocnemio

medial Gastrocnemio

lateral Tibial anterior

Pico – Pico 1,63545 [mv] 1,02663 [mv] 1,31313 [mv]

Máximo pico positivo 0,758035 [mv] 0,501377 [mv] 0,620753 [mv]

Máximo pico negativo -0,87741 [mv] -0,525253 [mv] -0,692378 [mv]

Frecuencia máxima 517,32 [Hz] 325,774 [Hz] 343,922 [Hz]

Frecuencia mínima 12,307 [Hz] 35,5452 [Hz] 12,4009 [Hz]

TABLA 5.17. Comparativa de las características de las señales SEMG.

5.3.4. SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO SEMG VS MUSCLE SENSOR V3

La Tabla 5.17 permite establecer que el músculo gastrocnemio medial posee un

mayor potencial EMG; utilizando este músculo se compara la señal rectificada del

sistema diseñado y construido con la salida del Muscle sensor v3 (Sparkfun, 2015).

Las figuras (Véase Figura 5.17 y Figura 5.18) presentan la señal de salida

promedio de tres registros obtenidos al aplicar una máxima contracción voluntaria

contenida por alrededor de 2 - 3 segundos. En base a estas figuras se determina

y compara los rangos de voltaje de salida del sistema de adquisición y

acondicionamiento de señales EMG con el Muscle sensor v3 (Véase Tabla 5.18).

117

FIGURA 5.17. Señal de salida rectificada con ganancia mínima proporcional a la contracción

muscular.

(a) Sistema EMG diseñado y construido.

(b) Muscle sensor v3.

FIGURA 5.18. Señal de salida rectificada con ganancia máxima proporcional a la contracción

muscular.

(a) Sistema EMG diseñado y construido.

(b) Muscle sensor v3.

Comparativa entre las principales características de las señales SEMG de los músculos seleccionados

Característica

Sistema SEMG diseñado y construido

Muscle sensor v3

Ganancia

mínima

Ganancia

máxima

Ganancia

mínima

Ganancia

máxima

Pico – Pico 0,866667 [V] 2,11467 [V] 1,47333 [V] 5,98 [V]

Máximo pico

positivo 1,69867 [V] 4,29867 [V] 2,16667 [V] 3,12 [V]

Máximo pico

negativo 0,432 [V] 0,452 [V] 0,693333 [V] 2,86 [V]

TABLA 5.18. Comparativa entre las principales características de las señales SEMG de los

músculos seleccionados.

118

En base a las gráficas y datos resultantes en el procesado de las señales

adquiridas se determina que:

• Las gráficas (Véase Figura 5.6, Figura 5.10 y Figura 5.14) muestran la

señal original sin amplificación, la cual se encuentra dentro de los rangos

establecidos para señales EMG superficiales (Figura 2.12 y Figura 2.13).

• En base a la gráficas (Véase Figura 5.8, Figura 5.12 y Figura 5.16) se

observa que aunque se aplica un filtrado de las señales de 60 [Hz]

producidas por instrumentos de AC, todavía se registran señales EMG en

esa frecuencia.

• En base a las figuras (Véase Figura 5.17 y Figura 5.18), se puede apreciar

que el Muscle sensor v3 amplifica señales no deseadas, es susceptible a

interferencias ya que no posee circuitos de protección; además al operar

con máxima ganancia el circuito tiende a saturar su salida y la señal no

presenta un suavizado óptimo.

CAPÍTULO VI

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En este Capítulo se detallan las conclusiones generadas durante el desarrollo de

la investigación, las recomendaciones que permiten dar continuidad al campo

investigativo de la electromiografía enfocada a la Biomecatrónica; además de la

bibliografía utilizada como base teórica.

6.1. CONCLUSIONES

- El sistema para la adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas superficiales diseñado, construido y probado posee un

costo de fabricación bajo, alrededor de un 70% menor que el dispositivo

más barato que existe en el mercado.

- La inclusión de circuitos de protección en la etapa de adquisición de la señal

SEMG brinda todas las seguridades necesarias para la utilización del

sistema en cualquier persona.

- En comparación con el Muscle sensor v3, el sistema SEMG diseñado y

construido no solo puede ser utilizado para el control de elementos se

corriente directa, además puede ser utilizado como un electro miógrafo, ya

que posee una salida con la señal EMG pura filtrada.

- La selección de un amplificador de instrumentación para la etapa inicial de

adquisición de la señal EMG requiere de varios puntos a tomar en cuenta,

una de las principales características para la selección es el CMRR; cuando

mayor sea el valor del CMRR del amplificador, mejor será la cancelación de

señales indeseables comunes entre los dos terminales de entrada, por lo

que, interferencias a 60 [Hz] serían completamente anuladas eliminando la

necesidad de realizar un filtrado rechaza bandas de 60 [Hz].

- Para el diseño de filtros se determina que la mejor respuesta aplicable en

sistemas SEMG, es la presentada por los filtros tipo Butterworth debido a

su pendiente de caída plana y cercana a la frecuencia de corte.

120

- La utilización de filtros de orden superior requiere el uso de filtros de primer

y segundo orden conectados en serie, sin embargo los circuitos no deben

ser los mismos ya que la utilización de valores comerciales no permite el

diseño de filtros con la frecuencia de corte exacta por lo que a medida que

los filtros conectados en serie avanzan se requiere una compensación en

la frecuencia de corte.

- El sistema debe ser calibrado para su utilización en un determinado

paciente ya que los potenciales EMG varían para cada persona; por lo que

resulta difícil tener a la salida del sistema un potencial dentro de un rango

estándar.

6.2. RECOMENDACIONES

- Para futuras mejoras al sistema de adquisición y acondicionamiento de

señales SEMG actual, se recomienda el uso de elementos analógicos de

calidad, ya que el sistema actual partió con la premisa de ser un sistema

funcional de bajo costo, por ende de menor calidad.

- Se recomienda la utilización de cables apantallados para la adquisición de

las señales EMG ya que mejoran notablemente el funcionamiento del

sistema; este apantallamiento actúa como un filtro más aplicado a la señal

adquirida.

- La distancia de los cables en la zona de adquisición y el sistema SEMG

debe ser mínima para evitar posibles interferencias debido al movimiento

del cable.

- La utilización de baterías para la alimentación del sistema SEMG se

recomienda el uso de circuitos reguladores, ya que el sistema está

diseñado para una tensión DC de ±5 voltios.

- Para futuros usos del sistema SEMG en sistemas de control, se recomienda

tener en cuenta el factor de fatiga asociado a los músculos en los que se

realiza el registro de la señal.

121

6.3. BIBLIOGRAFÍA

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ANEXOS

132

ANEXO I MANUAL DE OPERACIÓN

Manual de Operación

Sistema para la adquisición y acondicionamiento de señales

electromiográficas para el accionamiento de un tobillo

robótico.


Universidad Técnica del Norte

© 2015

133

Información

El sistema para la adquisición y acondicionamiento de señales electromiográficas

EMG es una placa electrónica basada en el uso de un amplificador diferencial de

instrumentación, amplificadores de propósito general en configuraciones de filtros

y amplificadores no inversores, que en conjunto brindan un potencial de salida

proporcional a la contracción muscular medida por electrodos EMG superficiales.

Generalidades

En el presente manual de operación brinda al usuario una completa guía para el

uso y correcto funcionamiento del sistema SEMG, además ayuda a evitar posibles

averías y accidentes inherentes al mal uso del dispositivo, brindando seguridad

tanto para el usuario como para la placa electrónica.

Contenidos

• Advertencias de seguridad

• Elementos constituyentes

• Especificaciones técnicas

• Instrucciones de uso

Advertencias de seguridad

• La placa electrónica ha sido diseñada, construida y probada para su

utilización en los músculos seleccionados, su utilización en otros músculos

puede causar un funcionamiento incorrecto.

• Verificar las tensiones de alimentación antes de alimentar a la placa

electrónica, potenciales elevados pueden causar daños a ciertos elementos

electrónicos.

• Por seguridad, encender el dispositivo sin conectar los cables a los

electrodos para evitar ciertos sobre impulsos producidos por las fuentes de

alimentación.

• Utilizar elementos aislantes en la planta de los pies, en caso de no utilizarlos

es posible que se presenten interferencias que afectan a las señales

registradas por el sistema.

134

• No manipular los circuitos de forma directa si no se tiene conocimientos

adecuados de sus elementos, funcionamiento o cuando el sistema se

encuentra encendido, ya que pueden presentarse cortocircuitos.

• En caso de mal funcionamiento o cierta avería en el sistema SEMG, apagar

y desenchufar de la corriente eléctrica.

• Evitar todo contacto de la placa con líquidos, ya que se pueden ocasionar

corto circuitos afectando al paciente.

Elementos constituyentes

Identificador Nombre

1 AD620 2 LM324AN 3 Audio Jack TRS (SJ1-3515N) 4 Conectores de alimentación espadines HDR1x3 5 Conectores de referencia espadines HDR1x3 6 Conectores de salida espadines HDR1x2 7 Potenciómetro trimmer (WIW1029—W—503) 8 Resistencias (varios valores en todo la placa) 9 Condensadores cerámicos (varios valores en todo la placa) 10 Condensador electrolítico 11 Diodos 1N4148

135

Especificaciones técnicas

Sistema para la adquisición y acondicionamiento de señales electromiográficas


Amplificación total Aproximadamente de 5800

CMRR 93 [dB]

Impedancia de entrada (Diferencial) 2 [GΩ]

Ganancia de la salida Entre 1 y 5,25

Filtro pasa bajas Sexto orden de 600 [Hz]

Filtro pasa altas Sexto orden de 15 [Hz]

Filtro rechaza bandas Cuarto orden de 60 [Hz]

Canales de salida 2 (Tensión DC proporcional y señal EMG pura)

Circuitos de protección Driver de pierna derecha - Acople de AC - Filtro RF - Condensadores de derivación

Rizado máximo en la rectificación 13,63 [mV]

Largo 102 [mm]

Ancho 100 [mm]

Peso 45 [g]

Voltaje de alimentación DC ±5 [V] / ±15 [V] (recomendado / máximo)

Instrucciones de uso

• Siguiendo un procedimiento establecido colocar los electrodos en las zonas del

músculo en el que se va a registrar la señal.

• Conectar la salida deseada desde la placa hacia algún elemento de medición o

actuador.

• Conectar las fuentes de alimentación a los puertos disponibles en la placa electrónica.

• Conectar los cables de medición en los electrodos superficiales y encender las

fuentes de alimentación.

• Contraer el músculo voluntariamente.

• Ajustar la ganancia del potencial de salida con el potenciómetro trimmer disponible

en la placa electrónica.

• Terminada la utilización del sistema SEMG, apagar las fuentes de alimentación.

• Desconectar las fuentes de alimentación de los puertos en la placa electrónica.

• Desconectar los cables de medición de los electrodos superficiales.

• Desprender los electrodos superficiales.

136

ANEXO II TARJETA PCB DEL SISTEMA SEMG

137

ANEXO III PLANOS ELECTRÓNICOS DEL SISTEMA SEMG

143

ANEXO IV PROGRAMACIÓN LABVIEW

144

ANEXO V PROGRAMACIÓN MATLAB (FILTROS)

% % % % % Respuesta de los filtros implementados en el sistema SEMG % % % % % % n1pb=[14212900]; %Numerador 1° estación del filtro pasa bajas d1pb=[1 7283 14212900]; %Denominador 1° estación del filtro pasa bajas n2pb=[14212900]; %Numerador 2° estación del filtro pasa bajas d2pb=[1 5331 14212900]; %Denominador 2° estación del filtro pasa bajas n3pb=[14212900]; %Numerador 3° estación del filtro pasa bajas d3pb=[1 1951 14212900]; %Denominador 3° estación del filtro pasa bajas A1 = tf(n1pb,d1pb); %FT de la 1° estación del filtro pasa bajas A2 = tf(n2pb,d2pb); %FT de la 2° estación del filtro pasa bajas A3 = tf(n3pb,d3pb); %FT de la 3° estación del filtro pasa bajas figure(1) %Figura 1:Diagrama de Bode –filtros pasa bajas bode(A1,'g',A2,'r',A3,'b') %Diagrama de Bode para las FT: A1, A2 y A3 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro pasa bajas') %Se establece el nombre

de la Figura 1 title('Diagrama de Bode - Filtro pasa bajas') %Se establece el título

de la Figura 1 legend('1° estación','2° estación','3° estación') %Se establece la leyenda

de la Figura 1 npb=[2.87e21]; %Numerador filtro pasa bajas de 6° orden dpb=[1 14565 1.061e8 4.898e11 1.508e15 2.942e18 2.87e21];%Denominador filtro

pasa bajas de 6° orden A4 = tf(npb,dpb); %FT del filtro pasa bajas de 6° orden figure(2) %Figura 2:Filtro pasa bajas de 6° orden bode(A4) %Diagrama de Bode para la FT: A4 %Se establece el nombre de la Figura 2 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro pasa bajas de 6° orden') %Se establece el título de la Figura 2 title('Diagrama de Bode - Filtro pasa bajas de 6° orden') %Se establece la leyenda de la Figura 2 legend('6° orden') n1pa=[1 0 0]; %Numerador 1° estación del filtro pasa altas d1pa=[1 182 8836]; %Denominador 1° estación del filtro pasa altas n2pa=[1 0 0]; %Numerador 2° estación del filtro pasa altas d2pa=[1 133 8836]; %Denominador 2° estación del filtro pasa altas n3pa=[1 0 0]; %Numerador 3° estación del filtro pasa altas d3pa=[1 49 8836]; %Denominador 3° estación del filtro pasa altas A5 = tf(n1pa,d1pa); %FT de la 1° estación del filtro pasa altas A6 = tf(n2pa,d2pa); %FT de la 2° estación del filtro pasa altas A7 = tf(n3pa,d3pa); %FT de la 3° estación del filtro pasa altas figure(3) %Figura 2: Diagrama de Bode - Filtro pasa altas bode(A5,'g',A6,'r',A7,'b') %Diagrama de Bode para las FT: A5, A6 y A7 %Se establece el nombre de la Figura 3 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro pasa altas') %Se establece el título de la Figura 3 title('Diagrama de Bode - Filtro pasa altas') %Se establece la leyenda de la Figura 3 legend('1° estación','2° estación','3° estación') npa=[1 0 0 0 0 0 0]; %Numerador filtro pasa altas de 6° orden dpa=[1 364 66149 7.619e6 5.845e8 2.842e10 6.899e11]; %Denominador filtro pasa

altas de 6° orden A8 = tf(npa,dpa); %FT del filtro pasa altas de 6° orden figure(4) %Figura 4: Filtro pasa altas de 6° orden bode(A8) %Diagrama de Bode para la FT: A8 %Se establece el nombre de la Figura 4 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro pasa altas de 6° orden') %Se establece el título de la Figura 4 title('Diagrama de Bode - Filtro pasa altas de 6° orden') %Se establece la leyenda de la Figura 4 legend('6° orden')

145

n12rb=[2 0 284258]; %Numerador 1° y 2° estación del filtro rechaza bandas d12rb=[1 12.56 142129]; %Denominador 1° y 2° estación del filtro rechaza bandas A9 = tf(n12rb,d12rb); %FT de la 1° y 2° estación del filtro rechaza bandas figure(5) %Figura 5: Diagrama de Bode - Filtro rechaza bandas bode(A9) %Diagrama de Bode para la FT: A9 %Se establece el nombre de la Figura 5 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro rechaza bandas') %Se establece el título de la Figura 5 title('Diagrama de Bode - Filtro rechaza bandas') %Se establece la leyenda de la Figura 5 legend('1° y 2° estación') %Numerador del filtro rechaza bandas de 4° orden nrb=[4 0 1.137e6 0 8.08e10]; %Denominador del filtro rechaza bandas de 4° orden drb=[1 25.12 2.844e5 3.57e6 2.02e10]; A10 = tf(nrb,drb); %FT del filtro rechaza bandas de 4° orden figure(6) %Figura 6: Filtro rechaza bandas de 4° orden bode(A10) %Diagrama de Bode para la FT: A10 %Se establece el nombre de la Figura 6 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode - Filtro rechaza bandas de 4° orden') %Se establece el título de la Figura 6 title('Diagrama de Bode - Filtro rechaza bandas de 4° orden') %Se establece la leyenda de la Figura 6 legend('4° orden') n1=conv(npb,npa); %convolución: numerador pasa bajas y numerador pasa altas nf=conv(n1,n12rb); %convolución: resultado "n1" y numerador rechaza bandas d1=conv(dpb,dpa); %convolución: denominador pasa bajas y denominador pasa altas df=conv(d1,d12rb); %convolución: resultado "d1" y denominador rechaza bandas figure(7) %Figura 7: Diagrama de Bode de todos los filtros bode(A4,'g',A8,'r',A9,'b') %Diagrama de Bode para las FT: A4, A8 y A9 %Nombre de la Figura 7 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode de los filtros (pasa altas - pasa bajas - rechaza bandas') %Título de la Figura 7 title('Diagrama de Bode de los filtros (pasa altas - pasa bajas - rechaza bandas') legend('Pasa bajas','Pasa altas','Rechaza bandas') %Leyenda de la Figura 7 A11= tf(nf,df); %FT para la etapa de filtros final figure(8) %Figura 8: Diagrama de Bode de los filtros implementados bode(A11) %Diagrama de Bode para la FT: A11 %Se establece el nombre de la Figura 8 set(gcf,'Name','Diagrama de Bode de los filtros implementados') %Se establece el título de la Figura 8 title('Diagrama de Bode de los filtros implementados') %Se establece la leyenda de la Figura 8 legend('Respuesta final del filtrado')

146

ANEXO VI COEFICIENTES PARA EL DISEÑO DE FILTROS BUTTERWORTH

147

ANEXO VII HOJA DE DATOS DE RESISTENCIAS DE ¼ WATT

148

ANEXO VIII HOJA DE DATOS DE CONDENSADORES CERÁMICOS

150

ANEXO IX HOJA DE DATOS DE POTENCIÓMETRO TRIMMER

151

ANEXO X CATÁLOGO DE CONECTORES DE AUDIO

152

ANEXO XI ELEMENTOS ELECTRÓNICOS REQUERIDOS

Elementos electrónicos requeridos para el sistema SEMG

Cantidad Descripción Valor Referencia

1 Conector TRS SJ1-3515N J1

4 Resistencia 3,9kΩ R24, R25, R4, R3

1 Resistencia 1MΩ R23

16 Resistencia 10kΩ R26, R33, R5, R6, R15, R22, R16, R20, R34, R36, R37,

R38, R39, R45, R21, R40

2 Resistencia 24kΩ R27, R28

2 Resistencia 2,2kΩ R29, R30




1 Resistencia 232kΩ R44




5 Resistencia 27kΩ R11, R12, R13, R14, R18



1 Resistencia 4,7kΩ R43

1 Potenciómetro 20kΩ X1

2 Condensador 1nF C20, C21

12 Condensador 100nF C4, C5, C22, C27, C7, C8, C10, C11, C12, C13, C14, C16



1 Condensador 33nF C1

1 Condensador 35nF C2

4 Condensador 47nF C19, C3, C6, C9

1 Condensador 6,8nF C29


1 Condensador

electrolítico 2,2µF C28

4 AO LM324N U20, U21, U22, U2

1 AO AD620AN U9

2 Diodos 1N4148 D1, D2

2 Espadines HDR1X3 J2, J3

153

ANEXO XII FOTOS

E

06-07-15

Tolerancia: Masa: Material:

Denominación:

Número de dibujo:

Sustitución:

Escala:

Registro:

Fecha Nombre

Dib.Rev.

Apro.

Sanipatín J.Cervantes H.

Cervantes H.

Modificación Fecha

D

Acrílico

ción

Firma:

JPSD

06-07-151:2,5

1 DE 1

001

Cubierta protectora superior e inferior

NombreEdi-

0,2 9g

1 2 3 4

A

B

C

±

06-07-15

102

107

R3 (x4)

3

11

3

(x4) R3 1

07

102

31

3

10

9

A

B

C

D

E

06-07-15

Tolerancia: Masa: Material:

Denominación:

Número de dibujo:

Sustitución:

Escala:

Registro:

Fecha Nombre

Dib.Rev.

Apro.

Sanipatín J.

4

1:2,5

1 DE 1

002

Cubierta protectora lateral

Acrílico

ción

Firma:

JPSD

06-07-15Cervantes H.

Cervantes H.

Modificación Fecha NombreEdi-

0,2 8g

1 2 3

±

06-07-15

universidad tÉcnica del norte - repositorio digital utn: página de...

Documents